相信大家都會(huì)或多或少接觸到各種各樣的電子產(chǎn)品，那么你知道這些電子產(chǎn)品都需要各種各樣的電源模塊嗎?那么應(yīng)該如何設(shè)計(jì)高可靠性的電源呢?

電源本身的可靠性固然重要，但是實(shí)際上，由于電源系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，再可靠的電源如果沒有可靠的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，最終電源還是會(huì)失效。下面介紹幾種常見的電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法和注意事項(xiàng)。

雖然乍一看電源可能不如微處理器或DSP那么迷人，但它們是電子系統(tǒng)的必要組成部分，因?yàn)槿魏坞娫垂收隙紩?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停止運(yùn)行。其糟糕的性能會(huì)影響給定產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員非常關(guān)注直接供電故障和性能不佳。換句話說，任何系統(tǒng)中電源的可靠性都至關(guān)重要。

1. 冗余設(shè)計(jì)技巧

在可靠性要求高的場(chǎng)合，要求電源模塊即使損壞，系統(tǒng)也不能斷電。此時(shí)，我們可以采取冗余供電的方式來提升系統(tǒng)的可靠性。如下圖所示，當(dāng)一個(gè)電源模塊損壞時(shí)，另外一個(gè)模塊可以繼續(xù)供電。圖3為其中一種常見的冗余設(shè)計(jì)方案。

要選擇或構(gòu)建可靠的電源，需要充分了解影響產(chǎn)品可靠性的因素和壓力。本文將探討可靠性的含義以及可靠性和故障率之間的關(guān)鍵差異，如CUI題為“電源可靠性考慮因素”的白皮書中所述。1它還將討論像CUI這樣的制造商如何通過提高可靠性來提高可靠性設(shè)計(jì)，元件選擇和制造過程。

注意事項(xiàng)：D1、D2建議使用低壓降的肖特基二極管，以避免二極管的壓降影響后端系統(tǒng)的工作，并注意選取二極管的耐壓值要高于輸出電壓。這種方法會(huì)產(chǎn)生額外的紋波噪聲，需外接電容來減小紋波或是加濾波電路。

在研究提高電源可靠性的過程之前供應(yīng)，首先要了解其定義以及可靠性和故障率之間的區(qū)別。根據(jù)CUI的白皮書，可靠性是指在特定條件下運(yùn)行的供應(yīng)在給定時(shí)間段內(nèi)正常工作的概率。失敗率是在給定時(shí)間單位內(nèi)失敗的單位的百分比。

2. 降額設(shè)計(jì)

眾所周知，降額設(shè)計(jì)可以有效提高電源工作壽命，但是負(fù)載過輕使用，電源的性能又無法工作在最佳狀態(tài)。 例如，金升陽DC_DC模塊電源建議在負(fù)載范圍30%~80%內(nèi)使用，此時(shí)各方面性能表現(xiàn)最佳。

故障率歸類于三個(gè)關(guān)鍵階段：嬰兒死亡率，使用壽命和磨損(由CUI提供)。雖然可以肯定地預(yù)測(cè)特定轉(zhuǎn)換器將在期望的規(guī)格內(nèi)運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間或在多少小時(shí)后運(yùn)行失敗是有爭(zhēng)議的，CUI建議使用概率技術(shù)確定供應(yīng)的預(yù)期壽命或失敗。

3. 合理外圍防護(hù)設(shè)計(jì)

電源模塊應(yīng)用行業(yè)非常多，應(yīng)用的環(huán)境要求也不近相同，因?yàn)槠渫ㄓ眯栽O(shè)計(jì)，DC-DC模塊電源僅能滿足通用共性需求。因此當(dāng)客戶的應(yīng)用環(huán)境要求苛刻時(shí)，需要加適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪硖嵘娫吹目煽啃浴?

從本質(zhì)上講，組件的選擇對(duì)于電源的整體可靠性至關(guān)重要。因此，建議必須使用固有可靠的組件來顯著降低故障風(fēng)險(xiǎn)。例如，根據(jù)CUI的經(jīng)驗(yàn)，電容器是電源中的常見故障點(diǎn)，因此使用壽命更長(zhǎng)的電容器有助于提高產(chǎn)品的可靠性

以金升陽的20W DC-DC鐵路電源URB24XXLD-20WR2為例，單獨(dú)模塊只能通過EN50155 1.4倍輸入電壓Vin的1S測(cè)試，但因?yàn)轶w積原因沒有辦法通過RIA12的標(biāo)準(zhǔn)，通過添加外圍電路(也可以選擇金升陽EMC輔助器FC-AX3D)，就能通過RIA12要求的3.5Vin/20mS的等測(cè)試要求。 因而合理的外圍電路設(shè)計(jì)可以使模塊滿足更高等級(jí)的技術(shù)規(guī)格，使之適應(yīng)更惡劣的應(yīng)用環(huán)境，提升電源模塊的可靠性。

另一個(gè)可以提高可靠性的因素是使用低于額定規(guī)格的元件。例如，當(dāng)在55°C下使用時(shí)，額定在85°C下可靠運(yùn)行的組件將具有顯著改進(jìn)的性能。通常情況下，溫度每降低10°C，組件的壽命就會(huì)翻倍。

4. 散熱設(shè)計(jì)

工業(yè)級(jí)的電源模塊的損壞大約有15%是因?yàn)樯岵涣紝?dǎo)致的，電源模塊是朝著小型化和集成化方向發(fā)展，但是很多應(yīng)用場(chǎng)合電源是處于密閉的環(huán)境中連續(xù)工作的，如果積熱無法散出去，電源內(nèi)部的器件可能因?yàn)槌^熱應(yīng)力而損壞。通常的散熱方式有自然風(fēng)冷、散熱片散熱和加強(qiáng)制性散熱風(fēng)扇等。熱設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)分享如下：

除了堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)脑x擇外，高可靠性電源必須利用良好的組裝和制造CUI總結(jié)了不損害設(shè)計(jì)或組件的過程?？傊?，可靠的電源是多種因素的組合，例如設(shè)計(jì)和分析，組件，制造過程，老化測(cè)試和安裝。沒有一個(gè)步驟可以確?？煽抗?yīng)。

5. 匹配性設(shè)計(jì)、安規(guī)設(shè)計(jì)

電源的輸入走線盡量保持直線，避免形成環(huán)路天線吸引外界輻射干擾。同時(shí)輸入線和輸出線需要按照UL60950的安規(guī)要求保持合適的間距，避免耐壓失效。再者，電源底板下禁止布線，特別是信號(hào)線，電源變壓器的電磁線會(huì)對(duì)信號(hào)形成干擾。另外一個(gè)設(shè)計(jì)師需注意的是，需要關(guān)注一次電源和二次電源之間，以及電源與系統(tǒng)工作頻率的倍頻錯(cuò)開，避開相互之間的系統(tǒng)匹配性問題。

以上就是電源系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的可靠性的詳細(xì)介紹，希望能給大家在學(xué)習(xí)的過程中提供一定的幫助，讓大家在設(shè)計(jì)的過程中少走彎路，也需要大家嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范，這樣才能設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。