南华大学船山学院毕业设计（论文）

3 小功率开关电源的可靠性设计

3.1 功率元器件热功能设计

在本设计中，功率元器件主要有芯片、变压器和副边整流二极管，在热功能设计中，在考虑到散热方面的问题，这主要体现在画PCB板上，象这类功率元器件要尽可能的空阔，也就是周围元器件尽可能地少，才有利于散热；在选取时，在芯片IC1上要考虑到芯片本身能出多少功率，如果输出的功率都超过芯片本身的功率，那么芯片发热量将会很大，会造成热保护，没热保护功能的芯片直接会炸坏芯片，所谓热保护，就是实际温度超过芯片本身的结温；ICE3A0565的最高结温为150℃；变压器T1主要在于存取能量和传递能量，在设计时，如果B取得过大，会使变压器磁芯发热量不断增大，达到一定程序使磁芯饱和，也就形成了热保护甚至会造成层间短路直接烧坏机器；副边整流二极管D5、D6(STQ080)主要在开关管关断时导通，此时产生的热量是最大的，可根据P=UI来计算，流过D5、D6的平均电流Iav=Io*(1-Dmin)=2.4A，D在输入为最高电压端才是最小的，在变压器设计上可以计算出Dmin约为0.2，由于选用的二极管为肖特基二极管，本身的压降很低，即可为0.2V，则这两个二极管的功耗P=0.2*2.4=0.48W，对于这两个二极管总共能承受的功耗为1.5W且结温为60℃来说，这里是不需要加散热器来散热的，散热器顾名思议可理解为再并一电阻，减小总电阻值，温升也就下降了。无论是芯片，还是变压器和副边整流二极管的工作功耗都均能满足设计要求，且有足够的裕量。

3.2 冲击抑制电路和抗雷击浪涌设计

前文中有讲到整流桥瞬时冲击电流值是比较关键的技术指标时，介绍到了开机时输入瞬时冲击电流的计算，是属于冲击抑制电路的设计，在这电路里面中的热敏电阻主要是采用NTC热敏电阻，能够利用起动是导通电流的发热使温度上升，电阻值也要相应降低，抑制功耗也随之变小；能够改善温度特性的原材料，不仅可抑制发热量，也具有使用工作状态中NTC电阻减至到最少限度的特点。有了这冲击电路也能减少对其它电子设备的不良影响。

抗雷击浪涌设计主要是能够保护电源产品和其它电子设备的作用，在原边输入侧经过保险丝后在零火线上并了一个470V的压敏电阻见图2.1中的YM1，当

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输入电压大于470V（等效直流电压）时，压敏电阻瞬时雪崩击穿，保险丝断裂，直接没输入。

3.3 电解电容使用寿命设计

电解电容的寿命的长短直接影响到产品的使用情况，在前面已经介绍了如何选取电解电容，在这要讲述下寿命的设计，电解电容的寿命的长短主要取决于电解电容中的内阻抗ESR的大小，如果选的电解电容的ESR比较大，那么发热量也就增加，内部的电解液会逐渐干涸，其容量也随之下降，直接影响到电解电容的使用周期。电解电容的实际使用时间的计算一般使用下面的公式：

L=Lo*2(To-Ta)/10 (3.1) L 为电解电容实际使用的时间，单位：小时(h) Lo 为电容手册中规定的额定时间，单位：小时（h） To 为电解电容手册中的最高工作温度，单位：℃ Ta 为最高环境温度下电解电容的工作温度， 单位：℃

Y=L/(365*24) (3.2) Y为使用的年数，单位：年（Y）

本电源设计中C8和C12的在最高环境45℃时的温度均为75℃为例计算该电解电容的使用寿命，计算如下：

根据公式（3.1） L=Lo*2(To-Ta)/10 =3000*2(105-75)/10 =24000 小时 根据公式（3.2） Y=L/(365*24)=24000/（365*24）=2.74 年

由以上可见，电解电容的寿命跟阻抗的大小和温度密切相关，在选取小阻抗电解电容的同时，也要让电解电容远离发热元器件。

3.4 电源平均无故障时间设计

平均无故障时间简称为MTBF，全称为Mean Time Before Failure。就是用一批新产品在特定的环境条件下一直工作到第一个故障时间的平均值，这是一个统计值或者数学期望值。特定的环境一般是指在恶劣条件下来测试模拟推算出正常工作环境下的MTBF的。MTBF长短起到对产品质量的好与坏的判断，它是开关电源里的一个重要指标。在MTBF计算中主要是考虑到产品中每个元器件的失效率。由于每个元器件在不同的使用条件下、不同的环境下其失效率会有很大的区

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别，因此在计算产品的可靠性指标时，一定要考虑这些因素。而这些因素在短时间里是不可能推算出来的，需要借助于软件如MTBFcal和其庞大的参数库和长时期实验的数据，就可以轻松地算出MTBF的值。如若在常温下推算产品MTBF的值就显得很长而难于计算。 在开关电源产品中所有元器件中发生失效率最高的概率是电解电容，所以可以用计算105℃电解电容在最高环境温度下的MTBF的值来估算整机的MTBF的值。

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4 常规电气性能综合指标的实现与完善

4.1 效率指标的实现与完善

效率一般指的就是产品的输出总功率Po除以输入的总功率Pin，用公式表示如下：

η=Po/Vin (4.1) 效率的高低直接可以反映出产品内部损耗的多少，效率低，往往意味着产品的损耗多，这根本就会缩短产品的使用寿命，所以提高效率也是工程师设计考虑的因素，如何提高，在这介绍几种常用方法：

（1）产品损耗大主要来源来MOSFET开关管，最好方法就是要降低MOSFET开关管的频率，从而也就能减少开关损耗。ICE3A0565在轻载或空载中就实现了降频功能，这就大大降低了MOSFET开关管的损耗，从而能提高效率。

（2）对反激式小功率开关电源电流工作状态来说，一般有连续状态和不连续状态，连续状态下能提高效率，但输出噪声纹波会大点，不连续状态下，产生峰值电流也就大了，MOSFET开关管和副边二极管流过的电流也就大了，损耗也就增加了，效率也随之降低了，不过，输出噪声纹波会小点，在考虑到输出噪声纹波在满足额定输出的1%情况下，一般选取电流工作在连续状态下，在本设计中的变压器设计已是按连续状态来设计了。

（3）输出电解电容选取要取ESR小低阻抗电解电容，这不但能增长电解电容的寿命（前面3.3有详细介绍了），还能提高效率，根据P=I*I*R可以知道在电流一定的情况下，电阻阻值越大，功耗也就越大了，效率也就越低了。

4.2 纹波噪声指标的实现与完善

在开关电源中，纹波一般可分为有工频纹波和开关纹波两类，工频纹波一般是指输出电压中含有50Hz或100Hz的交流分量; 开关纹波一般指频率跟开关频率相同的纹波分量。纹波噪声指标一般就是不要大于输出电压的1%，也就说对本设计来说，最大的纹波噪声是120mV，一二阶电解电容在选取为低阻抗电解电容，在输入AC165V~AC264V时，输出的纹波噪声如下图4.1所示：

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