1 导言
开关电源是各种体系的中心部分。开关电源的需求越来越大，一起对牢靠性提出了越来越高的要求。触及体系牢靠性的要素许多。现在，人们认识上的首要误区是把牢靠性彻底(或根本上)归结于元器材的牢靠性和制作安装的工艺,疏忽了体系规划和环境温度对牢靠性的决定性的效果。据美国海军电子实验室的核算，整机呈现毛病的原因和各自所占的百分比如表1所示。
在民用电子产品范畴，日本的核算资料标明，牢靠性问题80%源于规划方面(日本把元器材的选型、质量等级的确认、元器材的负荷率等部分也归入规划上的原因)。以上两方面的数据标明，规划及元器材(元器材的选型，质量等级的确认，元器材的负荷率)的原因形成的毛病，在开关电源毛病原因中占80%左右。削减这两方面形成的开关电源毛病，具有重要的含义。总归，对体系的规划者而言，需求清晰树立“牢靠性”这个重要概念，把体系的牢靠性作为重要的技能目标，认真对待开关电源牢靠性的规划作业，并采纳满意的办法进步开关电源的牢靠性，才能使体系和产品到达安稳、牢靠的方针。本文就从这两个方面来研讨与论说。
2 体系牢靠性的界说及目标
国际上，通用的牢靠性界说为：在规则条件下和规则的时刻内，完结规则功用的才能。此界说适用于一个体系，也适用于一台设备或一个单元。描绘这种随机事情的概率可用来作为表征开关电源牢靠性的特征量和特征函数。然后，引出牢靠度[R(t)]的界说：体系在规则条件下和规则时刻内，完结规则功用的概率。
如体系在开端 (t=0)时有n0个元件在作业，而在时刻为t时仍有n个元件在正常作业，
则
牢靠性 R(t)=n/n0 0≤R(t) ≤1
失功率 λ(t)= – dinR(t)/dt
λ界说为该种产品在单位时刻内的毛病数，即λ=dn/dt。
如失功率λ为常数，则
dn/dt=-λt
n=n0e-λt
R(t)=e-λt0
MTBF(均匀无毛病时刻)=1/λ
均匀无毛病时刻(MTBF)是开关电源的一个重要目标，用来衡量开关电源的牢靠性。
3 影响开关电源牢靠性的要素
从各研讨机构研讨成果能够看出，环境温度和负荷率对牢靠性影响很大，这两个方面对开关电源的影响很大，下面将从这两方面剖析，怎么规划出高牢靠的开关电源。其间：PD为运用功率;PR为额外功率主。UD为运用电压;UR为额外电压。
3.1 环境温度对元器材的影响
3.1.1 环境温度对半导体IC的影响
硅三极管以PD/PR=0.5运用负荷规划，则环温度对牢靠性的影响，如表2所示。
由表2可知，当环境温度Ta从20℃添加到80℃时，失功率添加了30倍。
3.1.2 环境温度对%&&&&&%器的影响
以UD/UR=0.65运用负荷规划 则环境温度对牢靠性的影响如表3所示。
从表3可知，当环境温度Ta从20℃添加到80℃时，失功率添加了14倍。
3.1.3 环境温度对电阻器的影响
以PD/PR=0.5运用负荷规划，则环境温度对牢靠性的影响如表4所示。
从表4可知，当环境温度Ta从20℃添加到80℃时，失功率添加了4倍。
3.2 负荷率对元器材的影响
3.2.1 负荷率对半导体%&&&&&%的影响
当环境温度为50℃时，PD/PR对失功率的影响如表5所示。
由表5可知，当PD/PR=0.8时，失功率比0.2时添加了1000倍。
3.2.2 负荷率对电阻的影响
负荷率对电阻的影响如表6所示。
从表6能够看出，当PD/PR=0.8时，失功率比PD/PR=0.2时添加了8倍。
4 牢靠性规划的原则
咱们能够从上面的剖析中得出开关电源的牢靠性规划原则。
4.1牢靠性规划目标应包含定量的牢靠性要求。
4.2牢靠性规划与器材的功用规划相结合，在满意器材功用目标的基础上，尽量进步器材的牢靠性水平。
4.3应针对器材的功用水平、牢靠性水平、制作本钱、研发周期等相应约束要素进行归纳平衡规划。
4.4在牢靠性规划中尽或许选用国、表里老练的新技能、新结构、新工艺和新原理。
4.5关于要害性元器材，选用并联办法，确保此单元有满意的冗佘度。
4.6 原则上要尽全部或许削减元器材运用数目。
4.7在平等体积下尽量选用高额度的元器材。
4.8 选用高质量等级的元器材。
4.9 原则上不选用电解电容。
4.10 对电源进行合理的热规划，操控环境温度，不致温度过高，导致元器材失功率添加。
4.11 尽量选用硅半导体器材，少用或不必锗半导体器材。
4.12 应挑选金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器材，制止选用塑料封装的器材。
5 牢靠性规划
5.1 负荷率的规划
因为负荷率对牢靠性有严重影响，故牢靠性规划重要的一个方面是负荷率的规划，跟据元器材的特性及实践经验，元器材的负荷率在下列数值时，电源体系的牢靠性及本钱是较优的。
5.1.1半导体元器材
半导体元器材的电压降额应在0.6以下，电流降额系数应在0.5以下。半导体元器材除负荷率外还有容差规划，规划开关电源时，应适当放宽半导体元器材的参数答应改变规模，包含制作容差、温度漂移、时刻漂移、辐射导致的漂移等。以确保半导体元器材的参数在必定规模内改变时，开关电源仍能正常作业。
5.1.2电容器
电容器的负荷率(作业电压和额外电压之比)最好在0.5左右，一般不要超越0.8，而且尽量运用无极性电容器。而且，在高频运用的状况下，电压降额起伏应进一步加大，对电解电容器更应如此。应特别注意，电容器有低压失效的问题，关于一般铝电解电容器和无极性电容的电压降额不低于0.3，但钽电容的电压降额应在0.3以下。电压降额不能太多，不然电容器的失功率将上升。
5.1.3电阻器、电位器
电阻器、电位器的负荷率要小于0.5,此为电阻器规划的上限值;可是很多实验证明，当电阻器降额数低于0.1时，将得不到预期的效果，失功率有所添加，电阻降额系数以0.1为牢靠性降额规划的下限值。
总归，对各种元器材的负荷率只需有或许，一般应保持在0.3左右。最好不要超越0.5。这样的负荷率，对电源体系形成不牢靠的机率是十分小的。
5.2 电源的热规划
开关电源内部过高的温升将会导致温度灵敏的半导体器材、电解%&&&&&%等元器材的失效。当温度超越必定值时，失功率呈指数规则添加。有核算资料标明，电子元器材温度每升高2℃，牢靠性下降10%;温升50℃时的寿数只要温升25℃时的1/6。除了电应力之外，温度是影响开关电源牢靠性的最重要的要素。高频开关电源有大功率发热器材，温度更是影响其牢靠性的最重要的要素之一，完好的热规划包含两个方面：一 怎么操控发热源的发热量;二 怎么将热源发生的热量散出去。使开关电源的温升操控在答应的规模之内，以确保开关电源的牢靠性。下面将从这两个方面论说。
5.2.1 操控发热量的规划
开关电源中首要的发热元器材为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器材有不同的操控发热量的办法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器材之一，减小它的发热量，不只能够进步功率管的牢靠性，而且能够进步开关电源的牢靠性，进步均匀无毛病时刻(MTBF)。开关管的发热量是由损耗引起的，开关管的损耗由开关进程损耗和通态损耗两部分组成，减小通态损耗能够经过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗;开关进程损耗是因为栅电荷巨细及开关时刻引起的，减小开关进程损耗能够挑选开关速度更快、恢复时刻更短的器材来削减。但更为重要的是经过规划更优的操控办法和缓冲技能来减小损耗，如选用软开关技能，能够大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量，对沟通整流及缓冲二极管，一般状况下不会有更好的操控技能来减小损耗，能够经过挑选高质量的二极管来减小损耗。关于变压器二次侧的整流能够挑选功率更高的同步整流技能来减小损耗。关于高频磁性资料引起的损耗，要尽量避免趋肤效应，关于趋肤效应形成的影响，可选用多股细漆包线并绕的办法来处理。
5.2.2 开关电源的散热规划
MOS管导通时有必定的压降，也即器材有必定的损耗，它将引起芯片的温升，可是器材的发热状况与其耐热才能和散热条件有关。由此，器材功耗有必定的容限。其值按热欧姆定律可标明为：
PD="Tj-Tc/RT"
式中，Tj 是额外结温(Tj=150℃)，Tc是壳温，RT是结到管壳间的稳态热阻，Tj代表器材的耐热才能，Tc和 RT代表器材的散热条件，而PD便是器材的发热状况。它必须在器材的耐热才能和散热条件之间取得平衡。
散热有三种根本办法：热传导、热辐射、热对流。依据散热的办法，能够选天然散热：加装散热器;或挑选强制风冷：加装电扇。加装散热器首要运用热传导和热对流，即一切发热元器材均先固定在散热器上，热量经过传导办法传递给散热器，散热器上的热量再经过能流换热的办法由空气传递热量，进行散热。
5.2.3 电源的散热仿真
散热仿真是开发电源产品以及供给产品资料攻略一个重要的组成部分。优化模块外形尺度是终端设备规划的发展趋势，这就带来了从金属散热片向 PCB 覆铜层散热办理转化的问题。当今的一些模块均运用较低的开关频率，用于开关形式电源和大型无源组件。关于驱动内部电路的电压转化和静态电流而言，线性稳压器的功率较低。
跟着功用越来越丰厚，功用越来越高，设备规划也变得日益紧凑，这时 IC 级和体系级的散热仿真就显得十分重要了。
一些运用的作业环境温度为 70 到 125℃，而且一些裸片尺度车载运用的温度乃至高达 140℃，就这些运用而言，体系的不间断运转十分重要。进行电子规划优化时，上述两类运用的瞬态和静态最坏状况下的精确散热剖析正变得日益重要。
散热办理
散热办理的难点在于要在取得更高散热功用、更高作业环境温度以及更低覆铜散热层预算的一起，缩小封装尺度。高封装功率将导致发生热量组件较高的集中度，然后带来在 %&&&&&% 级和封装级极高的热通量。
体系中需求考虑的要素包含或许会影响剖析器材温度、体系空间和气流规划/约束条件等其他一些印刷电路板功率器材。散热办理要考虑的三个层面分别为：封装、电路板和体系(请参见图 1)。
图 1 IC 封装中典型的热传递途径
低本钱、小外形尺度、模块集成和封装牢靠性是挑选封装时需求考虑的几个方面。因为本钱成为要害的考虑要素，因而依据引线结构的散热增强封装正日益遭到人们的喜爱。这种封装包含内嵌散热片或暴露焊盘和均热片型封装，规划旨在进步散热功用。在一些外表贴装封装中，一些专用引线结构在封装的每一面均熔接几条引线，以起到均热器的效果。这种办法为裸片焊盘的热传递供给了较好的散热途径。
IC 与封装散热仿真
散热剖析要求详细、精确的硅芯片产品模型和外壳散热特点。半导体供货商供给硅芯片 IC 散热机械特点和封装，而设备制作商则供给模块资料的相关信息。产品用户供给运用环境资料。
这种剖析有助于 IC 规划人员对电源 FET 尺度进行优化，以适用于瞬态和静态运转形式中的最坏状况下的功耗。在许多电源电子 IC 中，电源 FET 都占用了裸片面积相当大的一部分。散热剖析有助于规划人员优化其规划。
选用的封装一般会让部分金属显露，以此来供给硅芯片到散热器的低散热阻抗途径。模型要求的要害参数如下：
硅芯片尺度纵横比和芯片厚度。
功率器材面积和方位，以及任何发热的辅佐驱动电路。
电源结构厚度(硅芯片内涣散状况)。
硅芯片衔接至显露金属焊盘或金属突起衔接处的裸片衔接面积与厚度。或许包含裸片衔接资料气隙百分比。
显露金属焊盘或金属突起衔接处的面积和厚度。
运用铸模资料和衔接引线的封装尺度。
需供给模型所用每一种资料的热传导特点。这种数据输入还包含一切热传导特点的温度依赖性改变，这些传导特点详细包含：
硅芯片热传导性
裸片衔接、铸模资料的热传导性
金属焊盘或金属突起衔接处的热传导性。
封装类型 (packageproduct) 和 PCB 相互效果
散热仿真的一个至关重要的参数是确认焊盘到散热片资料的热阻，其确认办法首要有以下几种：
多层 FR4 电路板(常见的为四层和六层电路板)
单端电路板
顶层及底层电路板
散热和热阻途径依据不同的施行办法而各异：
衔接至内部散热片面板的散热焊盘或突起衔接处的散热孔。运用焊料将显露散热焊盘或突起衔接处衔接至 PCB 顶层。
坐落显露散热焊盘或突起衔接处下方PCB 上的一个开口，能够和衔接至模块金属外壳的伸出散热片基座相连。
运用金属螺钉将散热层衔接至金属外壳的 PCB 顶部或底部覆铜层上的散热片。运用焊料将显露散热焊盘或突起衔接处衔接至 PCB 的顶层。
别的，每层 PCB 上所用镀铜的分量或厚度十分要害。就热阻剖析而言，衔接至显露焊盘或突起衔接处的各层直承受这一参数的影响。一般来说，这便是多层印刷电路板中的顶部、散热片和底部层。
大多数运用中，其能够是两盎司重的覆铜(2 盎司铜=2.8 mils或 71 µm)外部层，以及1盎司重的覆铜(1盎司铜= 1.4 mils 或 35µm)内部层，或许一切均为 1 盎司重的覆铜层。在消费类电子运用中，一些运用乃至会运用 0.5 盎司重的覆铜(0.5 盎司铜= 0.7 mils 或 18 µm)层。
模型资料
仿真裸片温度需求一张 %&&&&&% 平面布置图，其间包含裸片上一切的电源FET 以及契合封装焊接原则的实践方位。
每一个 FET 的尺度和纵横比，对热散布都十分重要。需求考虑的另一个重要要素是 FET 是否一起或次序上电。模型精度取决于所运用的物理数据和资料特点。
模型的静态或均匀功耗剖析只需很短的核算时刻，而且一旦记载到最高温度时便呈现收敛。
瞬态剖析要求功耗-时刻比照数据。咱们运用了比开关电源状况更好的解析过程来记载数据，以精确地对快速功率脉冲期间的峰值温度上升进行捕获。这种剖析一般费时较长，且要求比静态功率模仿更多的数据输入。
该模型可仿真裸片衔接区域的环氧树脂气孔，或 PCB 散热板的镀层气孔。在这两种状况下，环氧树脂/镀层气孔都会影响封装的热阻(请参见图 2)。
图 2 热传递的热阻途径
散热界说
Θja—标明周围热阻的裸片结点，一般用于散热封装功用比照。
Θjc—标明外壳顶部热阻的裸片结点。
Θjp—标明显露散热焊盘热阻的芯片结点，一般用于猜测裸片结点温度的较好参阅。
Θjb—标明一条引线热阻途径下电路板的裸片结点。
PCB与模块外壳的施行
数据标明需求进行一些改动来下降顶部层邻近裸片上的 FET 最高温度，以避免热门超出 150C 的 T 结点(请参见图 3)。体系用户能够挑选操控该特定序列下的功率散布，以此来下降裸片上的功率温度。
图 3 由散热仿真得到的一个成果示例
散热仿真是开发电源产品的一个重要组成部分。此外，其还能够辅导您对热阻参数进行设置，涵盖了从硅芯片 FET 结点到产品中各种资料施行的整个规模。一旦了解了不同的热阻途径之后，咱们便能够对许多体系进行优化，以适用于一切运用。
该数据还能够被用于确认降额因子与环境运转温度升高之间相关性的原则。这些成果可用来协助产品开发团队开发其规划。
