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电源的可靠性、使用寿命和热管理

热管理的含义是尽可能吸收电源散发到四周的热量,从而降低其温度。最基本、最显著的目的是保持所有元件都在其最大工作温度范围之内。而事实上这远远不够,我们通常努力将温度降至更低,实事也证明值得为降低几摄氏度而努力。

电源在使用寿命的开始时,可靠性最大。随着时间的失衡,可靠性按正弦指数衰减。还有一个系数叫做电源失效系数,即在一特定时间内失效的电源数量。另一常用词是MTBF(平均失效时间),它是失效系数的倒数。典型商用电源工作于正常状态,且启动时环境温度在25摄氏度左右时,其MTBF为100000到500000小时。

来看失效率随时单缸变化,经验表明:温度每升高10度,失效率加倍。若将此并非十分精确的法则应用于电源中,则必须将其应用于电源中的所有元件,原因在于电源整体失效率等于各元件失效率之和,这清楚表明需要进一步降低器件温度。

但是除电源中每个元件的失效率外,某些特殊元件还需要考虑使用期限。元件寿命用其在特定条件下连续正常工作时间表示。在有效寿命末期,就认为器件由于磨损而失效,或简单说老化了。注意这并不表示元件完全失效,而是说无法保证其正常工作。即此元件不再按预期性能正常工作了。在其数据资料的电气规格限制中会列出。

注意:数据资料明显有助于使器件在某些方面看似很出色,这就是隐蔽又广泛使用的称为“丛林生存法则”的商业策略的出发点。优秀的设计师会注意到,虽然有些数据资料中元件编号看似一致,但不是所有厂商提供的数据资料都相同。

设计师不仅需要努力延长器件的使用寿命,而且要首先考虑降低其随时间的磨损度。从效果分析,电源最初使用时的性能比其最小参数优越。但是,失效元件,特别是关键位置处元件的失效,会引起整个电源性能降低,甚至是完全失效。

幸运的是,虽然电源中大部分元件的使用寿命无确切定义,但至少远高于一般电子产品规定的5~10年使用期。因此,尽量从这些元件的非零失效率可以看出它们任何时刻,甚至是正常工作时都可能失效,通常仍然不考虑电感、晶体管等元件的磨损。

注意:元件的使用寿命与其制造材料有关,制造材料直接影响元件寿命。例如,若半导体元件工作时温度高于其最高温度150度,虽然半导体本身在更高温度下也不会损坏,但是其塑料封装会老化。一段时间后,老化的封装会通过内部环境而严重影响PN结,从而导致元件损坏,并引起电源失效。类似地,铁粉磁心电感材料在持续高温下会退化,不仅会导致电感损坏,也会使电源失效。

在商用电源设计中要考虑使用寿命的典型例子是铝电解电容的使用。尽管在许多应用中它性能优越,但是其内部电解液会随时间而挥发,导致电容失效。需要进一步计算以预测其内部温度,从而预测电解液挥发速率以找到延长其使用寿命的方法。介绍一种计算方法,即温度每升高10度,铝电解电容使用寿命减半。可以看到,此方法与失效率一般法则十分类似。不过这仅是巧合,使用寿命和失效率是两个完全不同的问题。

可以看出,延长使用寿命与提高可靠性的方法是降低电源中元件的温度以及电源内部环境温度。这需要外壳通风性好,在PCB上多装散热片,甚至内置风扇将热空气排出。



西方节选自《精通开关电源设计》,由镭之源激光电源整理

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