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電源產品可靠性設計方法概述

文章出處:原創 編輯:環儀儀器 發表時間:2016-03-31
  中國現在的電源廠家很多,但是還沒有世界級品牌,為什么?眾多國內電源廠家的產品功能很好,價格很低,但是還是競爭力差,為什么?
  重要原因:我們的產品質量和可靠性差!國內電子產品和國外領先企業產品的差距已經不是功能性能的差距,而是質量和可靠性上的差距。
  質量和可靠性差的主要原因是:設計水平低,缺乏硬件可靠應用經驗。
  根據對電子產品失效分析數據的統計分析,電源的失效率占據了非常高的比例,往往是名列前茅的,這一方面說明了電源的可靠性比較低,另外一個方面也說明了只要提高了電源的可靠性,就可以大幅提高整個產品的可靠性。而對于電源廠家而言也是提高自己產品可靠性,增強競爭力的一個重要方面。
  在電源的可靠性設計中,傳統的可靠性技術主要采用的是老化試驗等方法,說到底是一種在產品后期進行的“篩選”方法,而目前最新的可靠性設計技術,強調在設計階段就保證產品的可靠性,大量采用以下可靠性設計技術,我們把這些最新的技術應用到電源的設計中,大大提高了電源的可靠性,帶來了非常好的經濟效益。下面分別做些簡單介紹。
  容差分析技術是當前電子可靠性設計中最先進的技術之一,代表著電子可靠性設計的一個重要發展方向。它是分析電路在最壞情況下,電路性能不會超過電路性能的規格要求,同時也保證器件所受的電應力在可靠范圍內,不會引起器件失效??杉薟罘治鍪且恢秩嫦低撤治齙緶房煽啃緣姆椒?,必將在電子可靠性設計中占據重要地位。由于電源在整個電路中有著重要的地位,而且根據歷史失效率數據統計,電源失效往往占整個電路的主要部分,因此在電源設計中引入容差分析是有著重要意義的。根據我們在電源設計中采用容差分析的經驗,可以保證電源在最壞情況下,電源輸出電平飄移、電源紋波、上下電時器件承受的最大電應力等關鍵指標都可以控制在要求的范圍內,電源的可靠性得到了很大的提高。
  降額設計是一種比較傳統的設計技術。以前做降額設計時,先估計器件上的電壓、電流和功率,然后套用器件降額表,確定器件的降額系數。這種估計的方法取決于個人經驗,也主要是估計器件上的靜態電應力,無法準確估計器件的瞬態應力,可以說是一種“靜態”的方法,同時這種方法也比較耗費時間。但是根據我們的失效分析經驗,器件失效的主要原因是受到瞬態的過電應力。所以我們新的降額設計主要是采用對電路的仿真方法,準確分析電路中的各個器件的瞬態電應力和器件的結溫,然后直接在仿真軟件中設置器件的降額系數,直接輸出器件的應力分析和降額情況。大大提高了降額設計的準確性和效率。
  與降額設計相反的是升額設計,大多器件在使用時必須要在器件手冊給定的參數范圍內,但是在商用產品設計中,有時我們必須要使用商業級器件(0-70℃)去適應其他的溫度范圍,如某些終端產品常常在低于0℃的情況下使用,這時候必須要評估器件在低溫下的參數變化,和器件在低溫下承受電應力的變化,保證器件在低溫情況下使用的可靠性。升額設計就是這樣一套系統的方法,用來評估器件在超出器件正常溫度范圍的下的使用情況。
  在電源設計中是必須要做SI分析和EMC分析的,在SI分析中現在又派生出了一個新的分支——PI(電源完整性分析),主要就是分析電源電路在高頻情況和必須考慮器件的分布參數時,其電平輸出性能變化??杉繚純煽啃隕杓萍際跤鐘辛艘桓鮒匾姆⒄?,也充分說明了電源可靠性設計的地位也日益重要。隨著SI和EMC仿真工具日益發展,實用化程度大大提高,今天的SI和EMC分析已經越來越多由傳統的測試試驗方法轉變為采用仿真分析的方法。以往電源設計中的高頻分量下的各器件的分布參數對電源性能的影響一直是困擾電源設計人員的難題,往往只有資深的工程師憑借經驗進行分析,如今憑借這些工具,即使年輕的工程師也有可能設計出高質量、高可靠性的電源,充分體現出了可靠性技術發展的力量。
  電應力設計除了和容差分析和降額設計可以融合一起使用外,在電源設計中另外要關注的是上下電分析和緩啟動電路的設計,根據對電源失效分析數據的統計和電源應用的經驗,這兩個方面是影響電源可靠性的主要因素,也是國內電源設計人員往往容易忽視的。上下電是電源應用中兩個關鍵的時刻,大部分的電源失效也發生在這兩個時刻。上下電時的電應力分析也成為設計人員必做的功課。解決的方法主要就是增加上電時的緩啟動電路和下電時放電電路,以保證上電時電源輸出得到有效控制,同時又保證電源和應用電路中的器件承受的電應力都在可靠的范圍內。以此來提高電源的可靠性。
  電源可靠性不可忽視的一個重要因素就是對各種環境的適應能力,高低溫、氣壓、煙霧、大氣成分等各種環境因素都會影響電源的可靠性,如低氣壓對電源中廣泛使用的電解電容壽命有很大影響,大氣污染對電源可靠性有致命影響,低溫對電源的啟動影響也不能忽略等等。如果任一個因素沒有考慮到,電源在某種特定環境下使用,就會帶來非常高比例的失效率,引起整個電子產品的全面返修和招回,帶來巨大的經濟損失。這樣非常慘痛的案例已經不止發生一次了。
  電源??櫚娜壬杓坪鴕話愕娜壬杓撇灰謊?,一般的熱設計主要是對整個系統的散熱通道進行分析,對電路中的器件只是進行穩態的功耗假定。而電源??櫓械娜壬杓浦饕嵌云渲械拇蠊β勢骷乃蔡露冉蟹治?,看是否超過器件的絕對溫度范圍。這種器件級的瞬態熱分析是當前熱設計領域中的最新發展,也是器件可靠性設計中的最新重要部分。
  電源的安全設計主要關注的是電源中各器件的安全性選型、電源??櫓蠵CB走線的爬電距離是否符合安全間距規范、電源在發生失效的情況下也不會輸出過高的電壓,以免引起電源和外部電路的重大安全隱患,特別是不引起明火等。
  國際領先的大公司,對這些設計方法均有專業團隊來保障,為了滿足國內企業的需求,針對每種設計方法,深圳市易瑞來公司均有專家負責研究和追蹤業界最新的進展,實踐經驗豐富,可以幫助企業建立自己的設計規范,幫助電子工程師迅速掌握這些方法并指導實踐。在應用實踐中證明,只要全面采用易瑞來公司的電子可靠性工程技術,電源產品的可靠性一定會有大幅的提高。

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