【導讀】目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統設計和環(huán)境溫度對可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實(shí)驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。
1引言
開(kāi)關(guān)電源是各種系統的核心部分。開(kāi)關(guān)電源的需求越來(lái)越大，同時(shí)對可靠性提出了越來(lái)越高的要求。涉及系統可靠性的因素很多。目前，人們認識上的主要誤區是把可靠性完全（或基本上）歸結于元器件的可靠性和制造裝配的工藝,忽略了系統設計和環(huán)境溫度對可靠性的決定性的作用。據美國海軍電子實(shí)驗室的統計，整機出現故障的原因和各自所占的百分比如表1所示。
在民用電子產(chǎn)品領(lǐng)域，日本的統計資料表明，可靠性問(wèn)題80％源于設計方面（日本把元器件的選型、質(zhì)量級別的確定、元器件的負荷率等部分也歸入設計上的原因）。以上兩方面的數據表明，設計及元器件（元器件的選型，質(zhì)量級別的確定，元器件的負荷率）的原因造成的故障，在開(kāi)關(guān)電源故障原因中占80％左右。減少這兩方面造成的開(kāi)關(guān)電源故障，具有重要的意義?？傊?，對系統的設計者而言，需要明確建立“可靠性”這個(gè)重要概念，把系統的可靠性作為重要的技術(shù)指標，認真對待開(kāi)關(guān)電源可靠性的設計工作，并采取足夠的措施提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，才能使系統和產(chǎn)品達到穩定、可靠的目標。本文就從這兩個(gè)方面來(lái)研究與闡述。
2、系統可靠性的定義及指標
國際上，通用的可靠性定義為：在規定條件下和規定的時(shí)間內，完成規定功能的能力。此定義適用于一個(gè)系統，也適用于一臺設備或一個(gè)單元。描述這種隨機事件的概率可用來(lái)作為表征開(kāi)關(guān)電源可靠性的特征量和特征函數。從而，引出可靠度[R（t）]的定義：系統在規定條件下和規定時(shí)間內，完成規定功能的概率。
如系統在開(kāi)始 （t=0）時(shí)有n0個(gè)元件在工作，而在時(shí)間為t時(shí)仍有n個(gè)元件在正常工作，
則
可靠性 R(t)=n/n0 0≤R(t) ≤1
失效率 λ(t)= - dinR(t)/dt
λ定義為該種產(chǎn)品在單位時(shí)間內的故障數，即λ=dn/dt。
如失效率λ為常數，則
dn/dt=-λt
n=n0e-λt
R(t)=e-λt0
MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）=1/λ
平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要指標，用來(lái)衡量開(kāi)關(guān)電源的可靠性。
3、影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的因素
從各研究機構研究成果可以看出，環(huán)境溫度和負荷率對可靠性影響很大，這兩個(gè)方面對開(kāi)關(guān)電源的影響很大，下面將從這兩方面分析，如何設計出高可靠的開(kāi)關(guān)電源。其中：PD為使用功率；PR為額定功率主。UD為使用電壓；UR為額定電壓。
3.1 環(huán)境溫度對元器件的影響
3.1.1 環(huán)境溫度對半導體IC的影響
硅三極管以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環(huán)溫度對可靠性的影響，如表2所示。
由表2可知，當環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了30倍。
3.1.2 環(huán)境溫度對電容器的影響
以UD/UR=0.65使用負荷設計 則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表3所示。
從表3可知，當環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了14倍。
3.1.3 環(huán)境溫度對電阻器的影響
以PD/PR=0.5使用負荷設計，則環(huán)境溫度對可靠性的影響如表4所示。
從表4可知，當環(huán)境溫度Ta從20℃增加到80℃時(shí)，失效率增加了4倍。
3.2 負荷率對元器件的影響
3.2.1 負荷率對半導體IC的影響
當環(huán)境溫度為50℃時(shí)，PD/PR對失效率的影響如表5所示。
由表5可知，當PD/PR=0.8時(shí)，失效率比0.2時(shí)增加了1000倍。
3.2.2 負荷率對電阻的影響
負荷率對電阻的影響如表6所示。
從表6可以看出，當PD/PR=0.8時(shí)，失效率比PD/PR=0.2時(shí)增加了8倍。
4、可靠性設計的原則
我們可以從上面的分析中得出開(kāi)關(guān)電源的可靠性設計原則。
4.1可靠性設計指標應包含定量的可靠性要求。
4.2可靠性設計與器件的功能設計相結合，在滿(mǎn)足器件性能指標的基礎上，盡量提高器件的可靠性水平。
4.3應針對器件的性能水平、可靠性水平、制造成本、研制周期等相應制約因素進(jìn)行綜合平衡設計。
4.4在可靠性設計中盡可能采用國、內外成熟的新技術(shù)、新結構、新工藝和新原理。
4.5對于關(guān)鍵性元器件，采用并聯(lián)方式，保證此單元有足夠的冗佘度。
4.6 原則上要盡一切可能減少元器件使用數目。
4.7在同等體積下盡量采用高額度的元器件。
4.8 選用高質(zhì)量等級的元器件。
4.9 原則上不選用電解電容。
4.10 對電源進(jìn)行合理的熱設計，控制環(huán)境溫度，不致溫度過(guò)高，導致元器件失效率增加。
4.11 盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。
4.12 應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件，禁止選用塑料封裝的器件。
5、可靠性設計
5.1 負荷率的設計
由于負荷率對可靠性有重大影響，故可靠性設計重要的一個(gè)方面是負荷率的設計，跟據元器件的特性及實(shí)踐經(jīng)驗，元器件的負荷率在下列數值時(shí)，電源系統的可靠性及成本是較優(yōu)的。
5.1.1半導體元器件
半導體元器件的電壓降額應在0.6以下，電流降額系數應在0.5以下。半導體元器件除負荷率外還有容差設計，設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，應適當放寬半導體元器件的參數允許變化范圍，包括制造容差、溫度漂移、時(shí)間漂移、輻射導致的漂移等。以保證半導體元器件的參數在一定范圍內變化時(shí)，開(kāi)關(guān)電源仍能正常工作。
5.1.2電容器
電容器的負荷率（工作電壓和額定電壓之比）最好在0.5左右，一般不要超過(guò)0.8，并且盡量使用無(wú)極性電容器。而且，在高頻應用的情況下，電壓降額幅度應進(jìn)一步加大，對電解電容器更應如此。應特別注意，電容器有低壓失效的問(wèn)題，對于普通鋁電解電容器和無(wú)極性電容的電壓降額不低于0.3，但鉭電容的電壓降額應在0.3以下。電壓降額不能太多，否則電容器的失效率將上升。
5.1.3電阻器、電位器
電阻器、電位器的負荷率要小于0.5,此為電阻器設計的上限值；但是大量試驗證明，當電阻器降額數低于0.1時(shí)，將得不到預期的效果，失效率有所增加，電阻降額系數以0.1為可靠性降額設計的下限值。
總之，對各種元器件的負荷率只要有可能，一般應保持在0.3左右。最好不要超過(guò)0.5。這樣的負荷率，對電源系統造成不可靠的機率是非常小的。
5.2 電源的熱設計
開(kāi)關(guān)電源內部過(guò)高的溫升將會(huì )導致溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過(guò)一定值時(shí)，失效率呈指數規律增加。有統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%；溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。除了電應力之外，溫度是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的最重要的因素。高頻開(kāi)關(guān)電源有大功率發(fā)熱器件，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素之一，完整的熱設計包括兩個(gè)方面：一 如何控制發(fā)熱源的發(fā)熱量；二 如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。使開(kāi)關(guān)電源的溫升控制在允許的范圍之內，以保證開(kāi)關(guān)電源的可靠性。下面將從這兩個(gè)方面論述。
5.2.1 控制發(fā)熱量的設計
開(kāi)關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導體開(kāi)關(guān)管、功率二極管、高頻變壓器、濾波電感等。不同器件有不同的控制發(fā)熱量的方法。功率管是高頻開(kāi)關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減小它的發(fā)熱量，不僅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性，提高平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）。
開(kāi)關(guān)管的發(fā)熱量是由損耗引起的，開(kāi)關(guān)管的損耗由開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗和通態(tài)損耗兩部分組成，減小通態(tài)損耗可以通過(guò)選用低通態(tài)電阻的開(kāi)關(guān)管來(lái)減小通態(tài)損耗；開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗是由于柵電荷大小及開(kāi)關(guān)時(shí)間引起的，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗可以選擇開(kāi)關(guān)速度更快、恢復時(shí)間更短的器件來(lái)減少。但更為重要的是通過(guò)設計更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來(lái)減小損耗，如采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以大大減小這種損耗。減小功率二極管的發(fā)熱量，對交流整流及緩沖二極管，一般情況下不會(huì )有更好的控制技術(shù)來(lái)減小損耗，可以通過(guò)選擇高質(zhì)量的二極管來(lái)減小損耗。
對于變壓器二次側的整流可以選擇效率更高的同步整流技術(shù)來(lái)減小損耗。對于高頻磁性材料引起的損耗，要盡量避免趨膚效應，對于趨膚效應造成的影響，可采用多股細漆包線(xiàn)并繞的辦法來(lái)解決。
5.2.2 開(kāi)關(guān)電源的散熱設計
MOS管導通時(shí)有一定的壓降，也即器件有一定的損耗，它將引起芯片的溫升，但是器件的發(fā)熱情況與其耐熱能力和散熱條件有關(guān)。由此，器件功耗有一定的容限。其值按熱歐姆定律可表示為：
PD="Tj-Tc/RT"
式中，Tj 是額定結溫（Tj=150℃），Tc是殼溫，RT是結到管殼間的穩態(tài)熱阻，Tj代表器件的耐熱能力，Tc和 RT代表器件的散熱條件，而PD就是器件的發(fā)熱情況。它必須在器件的耐熱能力和散熱條件之間取得平衡。
散熱有三種基本方式：熱傳導、熱輻射、熱對流。根據散熱的方式，可以選自然散熱：加裝散熱器；或選擇強制風(fēng)冷：加裝風(fēng)扇。加裝散熱器主要利用熱傳導和熱對流，即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過(guò)傳導方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過(guò)能流換熱的方式由空氣傳遞熱量，進(jìn)行散熱。
5.2.3 電源的散熱仿真
散熱仿真是開(kāi)發(fā)電源產(chǎn)品以及提供產(chǎn)品材料指南一個(gè)重要的組成部分。優(yōu)化模塊外形尺寸是終端設備設計的發(fā)展趨勢，這就帶來(lái)了從金屬散熱片向 PCB 覆銅層散熱管理轉換的問(wèn)題。當今的一些模塊均使用較低的開(kāi)關(guān)頻率，用于開(kāi)關(guān)模式電源和大型無(wú)源組件。對于驅動(dòng)內部電路的電壓轉換和靜態(tài)電流而言，線(xiàn)性穩壓器的效率較低。
隨著(zhù)功能越來(lái)越豐富，性能越來(lái)越高，設備設計也變得日益緊湊，這時(shí) IC 級和系統級的散熱仿真就顯得非常重要了。
一些應用的工作環(huán)境溫度為 70 到 125℃，并且一些裸片尺寸車(chē)載應用的溫度甚至高達 140℃，就這些應用而言，系統的不間斷運行非常重要。進(jìn)行電子設計優(yōu)化時(shí)，上述兩類(lèi)應用的瞬態(tài)和靜態(tài)最壞情況下的精確散熱分析正變得日益重要。
散熱管理
散熱管理的難點(diǎn)在于要在獲得更高散熱性能、更高工作環(huán)境溫度以及更低覆銅散熱層預算的同時(shí)，縮小封裝尺寸。高封裝效率將導致產(chǎn)生熱量組件較高的集中度，從而帶來(lái)在 IC 級和封裝級極高的熱通量。
系統中需要考慮的因素包括可能會(huì )影響分析器件溫度、系統空間和氣流設計/限制條件等其他一些印刷電路板功率器件。散熱管理要考慮的三個(gè)層面分別為：封裝、電路板和系統（請參見(jiàn)圖 1）。
圖 1 IC 封裝中典型的熱傳遞路徑
低成本、小外形尺寸、模塊集成和封裝可靠性是選擇封裝時(shí)需要考慮的幾個(gè)方面。由于成本成為關(guān)鍵的考慮因素，因此基于引線(xiàn)框架的散熱增強封裝正日益受到人們的青睞。這種封裝包括內嵌散熱片或裸露焊盤(pán)和均熱片型封裝，設計旨在提高散熱性能。在一些表面貼裝封裝中，一些專(zhuān)用引線(xiàn)框架在封裝的每一面均熔接幾條引線(xiàn)，以起到均熱器的作用。這種方法為裸片焊盤(pán)的熱傳遞提供了較好的散熱路徑。
IC 與封裝散熱仿真
散熱分析要求詳細、準確的硅芯片產(chǎn)品模型和外殼散熱屬性。半導體供應商提供硅芯片 IC 散熱機械屬性和封裝，而設備制造商則提供模塊材料的相關(guān)信息。產(chǎn)品用戶(hù)提供使用環(huán)境資料。
這種分析有助于 IC 設計人員對電源 FET 尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以適用于瞬態(tài)和靜態(tài)運行模式中的最壞情況下的功耗。在許多電源電子 IC 中，電源 FET 都占用了裸片面積相當大的一部分。散熱分析有助于設計人員優(yōu)化其設計。
選用的封裝一般會(huì )讓部分金屬外露，以此來(lái)提供硅芯片到散熱器的低散熱阻抗路徑。模型要求的關(guān)鍵參數如下：
•硅芯片尺寸縱橫比和芯片厚度。
•功率器件面積和位置，以及任何發(fā)熱的輔助驅動(dòng)電路。
•電源結構厚度（硅芯片內分散情況）。
•硅芯片連接至外露金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的裸片連接面積與厚度?？赡馨闫B接材料氣隙百分比。
•外露金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的面積和厚度。
•使用鑄模材料和連接引線(xiàn)的封裝尺寸。
需提供模型所用每一種材料的熱傳導屬性。這種數據輸入還包括所有熱傳導屬性的溫度依賴(lài)性變化，這些傳導屬性具體包括：
•硅芯片熱傳導性
•裸片連接、鑄模材料的熱傳導性
•金屬焊盤(pán)或金屬突起連接處的熱傳導性。
•封裝類(lèi)型 (packageproduct) 和 PCB 相互作用
散熱仿真的一個(gè)至關(guān)重要的參數是確定焊盤(pán)到散熱片材料的熱阻，其確定方法主要有以下幾種：
•多層 FR4 電路板（常見(jiàn)的為四層和六層電路板）
•單端電路板
•頂層及底層電路板
散熱和熱阻路徑根據不同的實(shí)施方法而各異：
•連接至內部散熱片面板的散熱焊盤(pán)或突起連接處的散熱孔。使用焊料將外露散熱焊盤(pán)或突起連接處連接至 PCB 頂層。
•位于外露散熱焊盤(pán)或突起連接處下方PCB 上的一個(gè)開(kāi)口，可以和連接至模塊金屬外殼的伸出散熱片基座相連。
•利用金屬螺釘將散熱層連接至金屬外殼的 PCB 頂部或底部覆銅層上的散熱片。使用焊料將外露散熱焊盤(pán)或突起連接處連接至 PCB 的頂層。
另外，每層 PCB 上所用鍍銅的重量或厚度非常關(guān)鍵。就熱阻分析而言，連接至外露焊盤(pán)或突起連接處的各層直接受這一參數的影響。一般而言，這就是多層印刷電路板中的頂部、散熱片和底部層。
大多數應用中，其可以是兩盎司重的覆銅（2 盎司銅=2.8 mils或 71 µm）外部層，以及1盎司重的覆銅（1盎司銅= 1.4 mils 或 35µm）內部層，或者所有均為 1 盎司重的覆銅層。在消費類(lèi)電子應用中，一些應用甚至會(huì )使用 0.5 盎司重的覆銅（0.5 盎司銅= 0.7 mils 或 18 µm）層。
模型資料
仿真裸片溫度需要一張 IC 平面布置圖，其中包括裸片上所有的電源FET 以及符合封裝焊接原則的實(shí)際位置。
每一個(gè) FET 的尺寸和縱橫比，對熱分布都非常重要。需要考慮的另一個(gè)重要因素是 FET 是否同時(shí)或順序上電。模型精度取決于所使用的物理數據和材料屬性。
模型的靜態(tài)或平均功耗分析只需很短的計算時(shí)間，并且一旦記錄到最高溫度時(shí)便出現收斂。
瞬態(tài)分析要求功耗－時(shí)間對比數據。我們使用了比開(kāi)關(guān)電源情況更好的解析步驟來(lái)記錄數據，以精確地對快速功率脈沖期間的峰值溫度上升進(jìn)行捕獲。這種分析一般費時(shí)較長(cháng)，且要求比靜態(tài)功率模擬更多的數據輸入。
該模型可仿真裸片連接區域的環(huán)氧樹(shù)脂氣孔，或 PCB 散熱板的鍍層氣孔。在這兩種情況下，環(huán)氧樹(shù)脂/鍍層氣孔都會(huì )影響封裝的熱阻（請參見(jiàn)圖 2）。
圖 2 熱傳遞的熱阻路徑
散熱定義
· Θja—表示周?chē)鸁嶙璧穆闫Y點(diǎn)，通常用于散熱封裝性能對比。
· Θjc—表示外殼頂部熱阻的裸片結點(diǎn)。
· Θjp—表示外露散熱焊盤(pán)熱阻的芯片結點(diǎn)，通常用于預測裸片結點(diǎn)溫度的較好參考。
· Θjb—表示一條引線(xiàn)熱阻路徑下電路板的裸片結點(diǎn)。
PCB 與模塊外殼的實(shí)施
數據表明需要進(jìn)行一些改動(dòng)來(lái)降低頂部層附近裸片上的 FET 最高溫度，以防止熱點(diǎn)超出 150C 的 T 結點(diǎn)（請參見(jiàn)圖 3）。系統用戶(hù)可以選擇控制該特定序列下的功率分布，以此來(lái)降低裸片上的功率溫度。
圖 3 由散熱仿真得到的一個(gè)結果示例
散熱仿真是開(kāi)發(fā)電源產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分。此外，其還能夠指導您對熱阻參數進(jìn)行設置，涵蓋了從硅芯片 FET 結點(diǎn)到產(chǎn)品中各種材料實(shí)施的整個(gè)范圍。一旦了解了不同的熱阻路徑之后，我們便可以對許多系統進(jìn)行優(yōu)化，以適用于所有應用。
該數據還可以被用于確定降額因子與環(huán)境運行溫度升高之間相關(guān)性的準則。這些結果可用來(lái)幫助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團隊開(kāi)發(fā)其設計。
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