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电源产品可靠性设计方法概述

文章出处:原创 编辑:环仪仪器 发表时间:2016-03-31
  中国现在的电源厂家很多,但是还没有世界级品牌,为什么?众多国内电源厂家的产品功能很好,价格很低,但是还是竞争力差,为什么?
  重要原因:我们的产品质量和可靠性差!国内电子产品和国外领先企业产品的差距已经不是功能性能的差距,而是质量和可靠性上的差距。
  质量和可靠性差的主要原因是:设计水平低,缺乏硬件可靠应用经验。
  根据对电子产品失效分析数据的统计分析,电源的失效率占据了非常高的比例,往往是名列前茅的,这一方面说明了电源的可靠性比较低,另外一个方面也说明了只要提高了电源的可靠性,就可以大幅提高整个产品的可靠性。而对于电源厂家而言也是提高自己产品可靠性,增强竞争力的一个重要方面。
  在电源的可靠性设计中,传统的可靠性技术主要采用的是老化试验等方法,说到底是一种在产品后期进行的“筛选”方法,而目前最新的可靠性设计技术,强调在设计阶段就保证产品的可靠性,大量采用以下可靠性设计技术,我们把这些最新的技术应用到电源的设计中,大大提高了电源的可靠性,带来了非常好的经济效益。下面分别做些简单介绍。
  容差分析技术是当前电子可靠性设计中最先进的技术之一,代表着电子可靠性设计的一个重要发展方向。它是分析电路在最坏情况下,电路性能不会超过电路性能的规格要求,同时也保证器件所受的电应力在可靠范围内,不会引起器件失效。可见容差分析是一种全面系统分析电路可靠性的方法,必将在电子可靠性设计中占据重要地位。由于电源在整个电路中有着重要的地位,而且根据历史失效率数据统计,电源失效往往占整个电路的主要部分,因此在电源设计中引入容差分析是有着重要意义的。根据我们在电源设计中采用容差分析的经验,可以保证电源在最坏情况下,电源输出电平飘移、电源纹波、上下电时器件承受的最大电应力等关键指标都可以控制在要求的范围内,电源的可靠性得到了很大的提高。
  降额设计是一种比较传统的设计技术。以前做降额设计时,先估计器件上的电压、电流和功率,然后套用器件降额表,确定器件的降额系数。这种估计的方法取决于个人经验,也主要是估计器件上的静态电应力,无法准确估计器件的瞬态应力,可以说是一种“静态”的方法,同时这种方法也比较耗费时间。但是根据我们的失效分析经验,器件失效的主要原因是受到瞬态的过电应力。所以我们新的降额设计主要是采用对电路的仿真方法,准确分析电路中的各个器件的瞬态电应力和器件的结温,然后直接在仿真软件中设置器件的降额系数,直接输出器件的应力分析和降额情况。大大提高了降额设计的准确性和效率。
  与降额设计相反的是升额设计,大多器件在使用时必须要在器件手册给定的参数范围内,但是在商用产品设计中,有时我们必须要使用商业级器件(0-70℃)去适应其他的温度范围,如某些终端产品常常在低于0℃的情况下使用,这时候必须要评估器件在低温下的参数变化,和器件在低温下承受电应力的变化,保证器件在低温情况下使用的可靠性。升额设计就是这样一套系统的方法,用来评估器件在超出器件正常温度范围的下的使用情况。
  在电源设计中是必须要做SI分析和EMC分析的,在SI分析中现在又派生出了一个新的分支——PI(电源完整性分析),主要就是分析电源电路在高频情况和必须考虑器件的分布参数时,其电平输出性能变化。可见电源可靠性设计技术又有了一个重要的发展,也充分说明了电源可靠性设计的地位也日益重要。随着SI和EMC仿真工具日益发展,实用化程度大大提高,今天的SI和EMC分析已经越来越多由传统的测试试验方法转变为采用仿真分析的方法。以往电源设计中的高频分量下的各器件的分布参数对电源性能的影响一直是困扰电源设计人员的难题,往往只有资深的工程师凭借经验进行分析,如今凭借这些工具,即使年轻的工程师也有可能设计出高质量、高可靠性的电源,充分体现出了可靠性技术发展的力量。
  电应力设计除了和容差分析和降额设计可以融合一起使用外,在电源设计中另外要关注的是上下电分析和缓启动电路的设计,根据对电源失效分析数据的统计和电源应用的经验,这两个方面是影响电源可靠性的主要因素,也是国内电源设计人员往往容易忽视的。上下电是电源应用中两个关键的时刻,大部分的电源失效也发生在这两个时刻。上下电时的电应力分析也成为设计人员必做的功课。解决的方法主要就是增加上电时的缓启动电路和下电时放电电路,以保证上电时电源输出得到有效控制,同时又保证电源和应用电路中的器件承受的电应力都在可靠的范围内。以此来提高电源的可靠性。
  电源可靠性不可忽视的一个重要因素就是对各种环境的适应能力,高低温、气压、烟雾、大气成分等各种环境因素都会影响电源的可靠性,如低气压对电源中广泛使用的电解电容寿命有很大影响,大气污染对电源可靠性有致命影响,低温对电源的启动影响也不能忽略等等。如果任一个因素没有考虑到,电源在某种特定环境下使用,就会带来非常高比例的失效率,引起整个电子产品的全面返修和招回,带来巨大的经济损失。这样非常惨痛的案例已经不止发生一次了。
  电源模块的热设计和一般的热设计不一样,一般的热设计主要是对整个系统的散热通道进行分析,对电路中的器件只是进行稳态的功耗假定。而电源模块中的热设计主要是对其中的大功率器件的瞬态温度进行分析,看是否超过器件的绝对温度范围。这种器件级的瞬态热分析是当前热设计领域中的最新发展,也是器件可靠性设计中的最新重要部分。
  电源的安全设计主要关注的是电源中各器件的安全性选型、电源模块中PCB走线的爬电距离是否符合安全间距规范、电源在发生失效的情况下也不会输出过高的电压,以免引起电源和外部电路的重大安全隐患,特别是不引起明火等。
  国际领先的大公司,对这些设计方法均有专业团队来保障,为了满足国内企业的需求,针对每种设计方法,深圳市易瑞来公司均有专家负责研究和追踪业界最新的进展,实践经验丰富,可以帮助企业建立自己的设计规范,帮助电子工程师迅速掌握这些方法并指导实践。在应用实践中证明,只要全面采用易瑞来公司的电子可靠性工程技术,电源产品的可靠性一定会有大幅的提高。

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