電源是任何電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在這篇文章中，我使用行業(yè)研究和我自己的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)來(lái)介紹電源故障的五個(gè)原因。它還將提供您作為設(shè)計(jì)工程師應(yīng)采取的必要預(yù)防措施，以避免系統(tǒng)故障。??

分析數(shù)據(jù)

本文分析的電源數(shù)據(jù)部分基于 Excelsys 在全球許多應(yīng)用中進(jìn)行的研究，以及北美電源翻新/維修公司 Power Clinic。自 1987 年以來(lái)，Power Clinic 收集了來(lái)自 1,600 多家不同公司的 12,000 多種不同型號(hào)的電源故障數(shù)據(jù)。這包括僅在 2015 年就發(fā)送給他們的 1,700 多個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，讓您了解在日常工作中看到了多少非工作電源。?

為了涵蓋所有電力行業(yè)領(lǐng)域，本文還依賴于對(duì) Ridley Engineering 的 Ray Ridley 博士所做的一項(xiàng)研究的分析，該研究基于其LinkedIn“電源”小組的意見(jiàn)。該小組有超過(guò) 6,000 名成員參與討論該主題。 ?

從這些來(lái)源分析的數(shù)據(jù)涵蓋所有市場(chǎng)和應(yīng)用，包括工業(yè)、醫(yī)療電子、軍事、電信、數(shù)據(jù)通信以及計(jì)算和科學(xué)領(lǐng)域。它包括最常見(jiàn)的電力電子應(yīng)用，從低成本到極高成本，包括飛行模擬器、數(shù)字標(biāo)牌、醫(yī)療設(shè)備測(cè)試和測(cè)量設(shè)備以及半導(dǎo)體設(shè)備。?

電源或產(chǎn)品（例如 ATX 電源或用于超低成本應(yīng)用的產(chǎn)品）未進(jìn)行分析，因?yàn)楹茈y獲得旨在一次性使用的退貨數(shù)據(jù)。? ?

電源故障的主要原因

一個(gè)基本的物理定律是，如果您能夠?qū)㈦娫喘h(huán)境溫度保持在 40°C 以下，每升高 10°C，平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 就會(huì)增加一倍。相反，您的電源的環(huán)境溫度每升高 10°C，您的 MTBF 就會(huì)減少一半（也就是說(shuō)，您的電源的可靠性只有一半）。此列表中的許多（但不是全部）故障機(jī)制與溫度有關(guān)。

與自古以來(lái)一直使用的金屬機(jī)箱相比，我們?cè)絹?lái)越多地看到終端設(shè)備塑料機(jī)箱的使用，這會(huì)影響散熱和 EMC。您可以采取任何措施來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)中電源周圍的熱管理，這一點(diǎn)至關(guān)重要。 ?

1. 粉絲

正如軍用 MTBF 模擬和 Belcore 標(biāo)準(zhǔn)以及在現(xiàn)實(shí)中模擬和演示的那樣，風(fēng)扇是電源的頭號(hào)故障機(jī)制。作為電源中唯一的機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件，即使在設(shè)計(jì)最合理的電源中，風(fēng)扇也容易發(fā)生故障。通常，我們看到對(duì)電源的無(wú)風(fēng)扇要求只是讓最終用戶添加風(fēng)扇以消除整個(gè)系統(tǒng)的熱量。但是這種方法只是將問(wèn)題從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。

該行業(yè)的另一個(gè)問(wèn)題是假冒風(fēng)扇擴(kuò)散到供應(yīng)鏈中。在我所知道的一個(gè)案例中，一位客戶發(fā)現(xiàn)他們購(gòu)買的替代風(fēng)扇與原來(lái)的風(fēng)扇沒(méi)有什么區(qū)別——除了它比原來(lái)的空氣少 30% 并且消耗的功率不同。確保您的供電合作伙伴有流程將假冒零件排除在供應(yīng)鏈之外，這一點(diǎn)很重要；否則，低成本電源將很快變得昂貴。?

可以密封無(wú)風(fēng)扇系統(tǒng)，這也消除了其他問(wèn)題，包括水分進(jìn)入。在戶外應(yīng)用（例如數(shù)字標(biāo)牌）的情況下，密封系統(tǒng)可以防止樹(shù)葉、蟲(chóng)子、樹(shù)枝和鳥(niǎo)巢，以及雨水和濕氣，在海上應(yīng)用的情況下，可以防止鹽和霧。 ?

卸下風(fēng)扇可將可靠性提高 25%，是避免故障的最佳解決方案。保持電源效率足夠高的良好設(shè)計(jì)使風(fēng)扇變得不必要。?

良好的電力電子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是：“ 如果可以，就不需要風(fēng)扇?！?為了滿足這一需求，Excelsys 最近推出了一種對(duì)流冷卻模塊化電源，該電源可在不使用風(fēng)扇輔助冷卻的情況下提供 600 W 的輸出功率。

2. 電容器

盡管普遍認(rèn)為，電容器技術(shù)每年都在取得很大進(jìn)展。但是，如果壓力過(guò)大或在生產(chǎn)中制造替代品或通過(guò)偽造，它們很容易失敗。?

電容器，尤其是電解電容器，可能會(huì)在許多不同的故障狀態(tài)下出現(xiàn)故障，包括膨脹、泄漏、爆炸、短路、電容降低或電路 ESR 增加。有時(shí)過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致電容器損壞。電解電容器可能會(huì)泄漏化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕、侵蝕 PCB 走線和其他問(wèn)題造成進(jìn)一步損壞。

為防止出現(xiàn)故障，請(qǐng)使用知名品牌的優(yōu)質(zhì)電容器。另外，減額。保持電容器盡可能涼爽，并觀察紋波電流以確保它們沒(méi)有受到過(guò)大的壓力。重要的是要知道，電解電容器的存儲(chǔ)壽命僅限于兩年，而電源不通電，這是通常被忽視的事情。作為電源設(shè)計(jì)人員，我們會(huì)盡可能避免使用電解電容器，但如果無(wú)法避免，我們會(huì)盡我們所能找到最好的。（我們指定最長(zhǎng)無(wú)動(dòng)力儲(chǔ)存兩年，以避免電解液受到長(zhǎng)期無(wú)動(dòng)力儲(chǔ)存的影響。）?

3、功率元件

功率開(kāi)關(guān)元件或 MOSFET 是電源運(yùn)行的主要力量，如果散熱不足，或者漏極過(guò)壓、漏極過(guò)流、柵極過(guò)壓或內(nèi)部反并聯(lián)二極管過(guò)載，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致故障。

正確的設(shè)計(jì)和組件的降額將大大有助于 MOSFET 在應(yīng)用中具有良好的長(zhǎng)壽命。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、注意控制電路、回路測(cè)試和降額可以確保這些組件的正常運(yùn)行和長(zhǎng)壽命。?

功率二極管也可能由于不當(dāng)?shù)纳峄驘峁芾怼饬鞯榷?。?qū)動(dòng)電感電路中的過(guò)電壓可能會(huì)損壞肖特基二極管。在過(guò)壓期間，它們不像 MOSFET 那樣寬容。此外，整流器中的開(kāi)關(guān)損耗可能是一個(gè)很大的熱源。當(dāng)開(kāi)關(guān)時(shí)間隨溫度延長(zhǎng)一點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn) TRR 拖尾，從而導(dǎo)致熱量升高，并且可能會(huì)出現(xiàn)正反饋回路，并且可能會(huì)損壞部件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須仔細(xì)考慮這個(gè)潛在問(wèn)題，以保持低功耗。正確的設(shè)計(jì)、組件選擇和表征，連同降額，將創(chuàng)造奇跡。 ?

4.控制IC

控制 IC 通常具有不尋常的工作區(qū)域，如果被誤解或誤用，可能會(huì)導(dǎo)致故障。這包括不正確的時(shí)鐘操作或不正確的 PCB 布局，這將使控制 IC 容易受到噪聲或振蕩的影響。所有控制器 IC 都有自己獨(dú)特的行為，需要在應(yīng)用程序中得到充分理解，包括預(yù)期應(yīng)用程序的變通方法和“未記錄的特性”。?

為避免商用控制 IC 出現(xiàn)故障，必須了解啟動(dòng)條件。限流、軟啟動(dòng)模式、適當(dāng)?shù)?a target="_blank">柵極驅(qū)動(dòng)、間距和測(cè)量控制回路——所有這些都必須完成以確保在所有條件下穩(wěn)定運(yùn)行。控制 IC 必須每次都能完美工作；否則，可能會(huì)在 MOSFET 中看到損壞，因?yàn)楫?dāng)控制 IC 發(fā)生故障或變得不穩(wěn)定時(shí)，它們會(huì)首當(dāng)其沖。隨著數(shù)字控制器越來(lái)越多地用于電力電子設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為軟件和控制 IC 是一個(gè)問(wèn)題，有時(shí)是控制 IC 出現(xiàn)故障；然而，最終被取出的通常是開(kāi)關(guān) MOSFET。 ?

5. 環(huán)境原因

當(dāng)使用進(jìn)入電源通風(fēng)口和風(fēng)扇端口的消毒溶液清潔設(shè)備時(shí)，有時(shí)會(huì)在醫(yī)療電子設(shè)備中看到濕氣進(jìn)入的環(huán)境問(wèn)題（消除風(fēng)扇的另一個(gè)原因）。水分會(huì)腐蝕電子設(shè)備并最終導(dǎo)致故障。來(lái)自用戶環(huán)境的其他故障模式包括遠(yuǎn)高于額定值和許多 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的浪涌和瞬變，這通常會(huì)損壞電源前端的半導(dǎo)體組件。這些環(huán)境問(wèn)題中的一些可以通過(guò)應(yīng)用程序中的設(shè)計(jì)來(lái)控制，而有些則不能。?

其他環(huán)境問(wèn)題是雷擊和其他感應(yīng)的電力線浪涌和瞬變。通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)和測(cè)試電源以及添加外部保護(hù)組件，可以最大限度地減少這些原因造成的損失。例如，Littelfuse 有出色的浪涌保護(hù)器件，例如 LSP10240 系列，可以處理巨大的瞬變和浪涌，以保護(hù)系統(tǒng)的交流輸入。較新的電源設(shè)計(jì)了浪涌保護(hù)，有些還設(shè)計(jì)為可處理 300 Vac 5 秒鐘，因?yàn)槿螂娏€的穩(wěn)定性并不能保證。

其他環(huán)境考慮因素是負(fù)載 - 無(wú)功負(fù)載，例如再生電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電池充電、超級(jí)電容等。應(yīng)考慮負(fù)載，并且可能會(huì)添加二極管等保護(hù)電路。在您的應(yīng)用中，這可能會(huì)阻止來(lái)自電動(dòng)發(fā)電機(jī)的 250 V 電壓應(yīng)用于電源的 24 V 輸出。?

在我使用的許多具有反應(yīng)性負(fù)載的應(yīng)用程序中，該問(wèn)題由 Excelsys 的 XGR 和 XGT 模塊等反應(yīng)性負(fù)載模塊解決。這些模塊采用內(nèi)置旁路二極管和阻斷電路，因此無(wú)需任何外部電路來(lái)保護(hù)電源免受反電動(dòng)勢(shì)的影響。這種方法常常能創(chuàng)造奇跡。 ?

得到教訓(xùn)

還有其他可能導(dǎo)致電源故障的情況，但根據(jù)研究，我所描述的情況最常發(fā)生。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，主要規(guī)則是將電源本身作為首要考慮因素，而不是最后考慮因素。

如果可能，工程師應(yīng)盡量使用無(wú)風(fēng)扇電源來(lái)消除風(fēng)扇。他們還應(yīng)該使用合法的組件并創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)良好、強(qiáng)大的系統(tǒng)。選擇提供延長(zhǎng)保修期的電源合作伙伴也很重要，以幫助確保他們知道自己在做什么。但對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，了解保修也非常重要。例如，當(dāng)您的低成本電源出現(xiàn)故障時(shí)，這可能意味著當(dāng)您從遙遠(yuǎn)的土地下下一個(gè) 1,000 件起訂量訂單時(shí)，您將收到一個(gè)新電源。但是，該解決方案并沒(méi)有開(kāi)始為失敗的費(fèi)用付出代價(jià)。?

一家高質(zhì)量的電源公司將從經(jīng)驗(yàn)中吸取教訓(xùn)，并將其融入新的設(shè)計(jì)中，以提高可靠性并減少現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。提供長(zhǎng)期保修意味著您首先不會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)遇到任何問(wèn)題。

審核編輯：湯梓紅