设计一款可靠的开关电源的解决方案-电路图讲解-电子技术方案

1　引言 开关电源是各种系统的核心部分。开关电源的需求越来越大，同时对可靠性提出了越来越高的要求。涉及系统可靠性的因素很多。目前，人们认识上的主要误区是把可靠性完全（或基本上）归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺,忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。   在民用电子产品领域，日本的统计资料表明，可靠性问题80％源于设计方面（日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因）。

以上两方面的数据表明，设计及元器件（元器件的选型，质量级别的确定，元器件的负荷率）的原因造成的故障，在开关电源故障原因中占80％左右。减少这两方面造成的开关电源故障，具有重要的意义。总之，对系统的设计者而言，需要明确建立“可靠性”这个重要概念，把系统的可靠性作为重要的技术指标，认真对待开关电源可靠性的设计工作，并采取足够的措施提高开关电源的可靠性，才能使系统和产品达到稳定、可靠的目标。本文就从这两个方面来研究与阐述。    

2 系统可靠性的定义及指标 国际上，通用的可靠性定义为：在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统，也适用于一台设备或一个单元。描述这种随机事件的概率可用来作为表征开关电源可靠性的特征量和特征函数。从而，引出可靠度[R（t）]的定义：系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。   如系统在开始 （t=0）时有n0个元件在工作，而在时间为t时仍有n个元件在正常工作，   则   可靠性　　 R(t)=n/n0　　0≤R(t) ≤1   失效率　　 λ(t)= - dinR(t)/dt   λ定义为该种产品在单位时间内的故障数，即λ=dn/dt。   如失效率λ为常数，则    dn/dt=-λt   n=n0e-λt   R(t)=e-λt0　　　　　

  MTBF（平均无故障时间）=1/λ   平均无故障时间（MTBF）是开关电源的一个重要指标，用来衡量开关电源的可靠性。  

  3　影响开关电源可靠性的因素 从各研究机构研究成果可以看出，环境温度和负荷率对可靠性影响很大，这两个方面对开关电源的影响很大，下面将从这两方面分析，如何设计出高可靠的开关电源。其中：PD为使用功率；PR为额定功率主。UD为使用电压；UR为额定电压。  

3.1 环境温度对元器件的影响3.1.1 环境温度对半导体IC的影响   硅三极管以PD/PR=0.5使用负荷设计，则环温度对可靠性的影响，如表2所示。     由表2可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了30倍。  

3.1.2 环境温度对电容器的影响 以UD/UR=0.65使用负荷设计 则环境温度对可靠性的影响如表3所示。     从表3可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了14倍。  

3.1.3 环境温度对电阻器的影响 以PD/PR=0.5使用负荷设计，则环境温度对可靠性的影响如表4所示。     从表4可知，当环境温度Ta从20℃增加到80℃时，失效率增加了4倍。  

3.2 负荷率对元器件的影响3.2.1 负荷率对半导体IC的影响　　　  当环境温度为50℃时，PD/PR对失效率的影响如表5所示。     由表5可知，当PD/PR=0.8时，失效率比0.2时增加了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可以看出，当PD/PR=0.8时，失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。  

4　可靠性设计的原则 我们可以从上面的分析中得出开关电源的可靠性设计原则。   4.1可靠性设计指标应包含定量的可靠性要求。 　　 4.2可靠性设计与器件的功能设计相结合，在满足器件性能指标的基础上，尽量提高器件的可靠性水平。 　　 4.3应针对器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相应制约因素进行综合平衡设计。 　　 4.4在可靠性设计中尽可能采用国、内外成熟的新技术、新结构、新工艺和新原理。 　　 4.5对于关键性元器件，采用并联方式，保证此单元有足够的冗佘度。 　　 4.6 原则上要尽一切可能减少元器件使用数目。 　　 4.7在同等体积下尽量采用高额度的元器件。 　　 4.8 选用高质量等级的元器件。 　　 4.9 原则上不选用电解电容。 　　 4.10 对电源进行合理的热设计，控制环境温度，不致温度过高，导致元器件失效率增加。 　　 4.11 尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。 　　 4.12 应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件，禁止选用塑料封装的器件。                                        

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动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。   蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。   它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用22～28％的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有22～28％的稀硫酸。     

 锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生。   由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。   随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。   最早得以应用于心脏起搏器中。由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。   锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算机，计算器，照相机、手表中。   动力电池和锂电池有什么联系 电池按化学种类分，可以分为铅酸电池、一次碱性电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等等。电池按可以输出的放电电流大小可以分为动力电池和普通电池，动力电池与普通电池的差别基本定义为：普通电池可以以最大3C电流放电，而动力电池一般是指可以以5C电流放电，而且超高倍率的动力电池可以以20C或更大的电流进行放电。   所以说，锂电池有普通型也有动力型。动力电池中有铅酸电池，也有镍氢电池，也有锂离子电池等。

  动力锂电池和消费锂电池从研发角度讲有什么区别？ 

 动力类锂离子电池需要更多考虑可靠性和一致性，毕竟要长时间（至少5~10年）、恶劣环境（冬天低温、夏天暴晒、雨雪）、大量电池串并联配组使用。考虑可靠性和一致性，假设一辆汽车使用1000只动力电池，理想上，汽车厂家希望一个车型10万辆车的规模下不要出问题，也就是理想上要求动力电池出问题（安全、存储、循环等）的几率要在一亿分之一以下（当然对于最高端消费类电池而言，苹果也对供应商要求到了这个级别）。考虑到可靠性，动力类电池一般设计冗余更多，使用更厚的隔膜、箔材和外壳，因此能量密度也就大概是消费类电池的一半吧。   

 消费类锂离子电池无需长时间可靠性（循环也无需做得太好，因为反正一两年就会换），一般不需要配组单独使用，所以对一致性没有太大要求，但是由于消费类的手机、pad空间有限并且非常珍贵，因此消费类锂离子电池对于尺寸要求严格、容量、能量密度等要求很高。   对于安全而言，动力电池有更多的外部保护电路、散热布局等，当然也面临更恶劣的条件（更高的外部电压、更大的电流、更复杂的外部环境），消费类电池的保护更少，要在更高能量密度的基础上靠电池的材料和设计抗住各种危及安全的情况。   

 我个人认为，高端的消费类电池使用了最先进的技术和材料，而动力电池更多是需要先进的工艺控制、一致性控制和质量管理。   1.容量不一样，动力的一般大手机及其他电子产品的容量小，   2.循环寿命动力的也会高点   3.在温度控制点来说动力会有电池组的的一个保护温度。  

动力锂电池和容量型锂电池有什么区别？ 锂电池的种类是很多的，像动力型锂电池和容量型锂电池都是，那么到底这两种锂电池之间有什么区别呢？可能很多人都不是很清楚 

  1、电压大小不同 在电池行业上，电压增大了，其对应的输出电压也会增大，从而使得动力型锂电池组能够满足一些大功率的设备上；而并联方式直接影响的结果就是使得整个电池组的电流增大，而容量是受输出端的电流影响的，所以并联的直接作用就是使得锂电池组的容量增大，以这种方式连接的电池组的容量往往会比较大，也就是所谓的容量型锂电池组。  

2、应用的产品不同 一些大型设备上需要的电压值较高，因为小功率的电池组带不起运转，所以就要选用动力型锂电池组。例如我们平时所用的电动自行车，它所要求的电压值往往都是48V，相对我们生活中的一些情况，48V已经算是不小了。所以就必须使用动力型锂电池组来确保电动自行车的运转。而我们平时去一些大型超市或者商场，一些标志灯以及备用电源，因为这些设备的功耗并不是很大，所以一般都采用容量型锂电池组，这两者之间在产品的应用上是不同的。  

  3、内阻不同 动力型锂电池的内阻要比容量型锂电池的小，以18650为例，3倍率放电的好的厂家一般都带PDC，内阻40左右；5倍率放电的一般都不带PDC内阻20左右。                                        

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