爱浦电子基于航天器DC-DC电源模块的可靠性设计 .pdfVIP

爱浦电子基于航天器DC-DC电源

模块的可靠性设计

基于航天器DC/DC电源模块的可靠性设计

卫星用DC/DC变换器的高可靠和长寿命，是确保其完成飞行使命的基本条

件之一。但人们对DC/DC变换器可靠性的认识通常集中在元器件固有质量或产

品组装工艺缺陷方面，往往忽略了系统设计（包括技术方案和电路拓扑设计、输

入/输出接口设计、环境试验条件适应性设计等）缺陷和电压、电流和温度应力

对可靠性的影响。

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的百分比如表1

所示。

日本的统计资料表明，可靠性问题的80％来源于设计方面（日本把元器件

的选型和质量等级的确定以及元器件的负荷能力等都归入设计上的原因）。国产

星用DC/DC变换器虽然在轨试验中尚未出现失效现象的历史记录，但在地面试

验中，已经有过不少的故障归零报告，基本上属于设计缺陷。

以上统计数据表明，控制和减少由于技术方案选择、电路拓扑设计以及元器

件使用设计原因所造成的DC/DC变换器故障，具有重要意义。

DC/DC变换器供电方式的选择

DC/DC变换器供电方式的不同，对整个供电系统的可靠性有重大影响。卫星用

DC/DC变换器的配电系统一般有两种方式：集中式供电和分布式供电。

集中式供电的优点是DC/DC变换器数量少，有利于控制和减少电源的体积和重

量，同时简化了一次电源到DC/DC变换器之间的重复布线。缺点是电源的多负

降额设计

因电子产品的可靠性对电应力和温度应力较敏感，故而降额设计技术对电子产品

则显得尤为重要，成为可靠性设计中必不可少的组成部分。按照GJBZ35-93的

要求，航天器所用元器件的所有参数必须实施Ⅰ级降额。

DC/DC变换器中所用元器件种类较多，有阻容器件、大功率半导体器件、电感

器件、继电器、保险丝等，针对不同器件要分析需要降额的所有参数，且要综合

考虑。而且，对同一器件不同参数做降额时要考虑参数之间的相互影响，即一个

参数作调整时往往会带

来其他工作参数的变化。对半导体器件，即使是各参数均降额了，最终还要归结

到结温是否满足降额要求。

降额设计要建立在对电路工作状态认真分析的基础上，确认达到预期效果。例如，

对电容器额定电压的降额，由于器件特性的差异（如漏电流、RSE等)，简单串

联后并不能完全满足降额要求。

热设计

产品研制经验告诉我们，热应力对电源可靠性的影响往往不亚于电应力。电

源内部功率器件的局部过热，包括输出整流管的发热，很可能导致失效现象发生。

当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加，当达到极限值时将导致元器件失

效。国外统计资料指出，温度每升高2℃，电子元器件的可靠性下降10％，器

件温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6，足见热设计的必要性。电源热设

计的原则有两个：一是提高功率变换效率，选用导通压降小的元器件简化电路，

减少发热源。二是实施热转移和热平衡措施，防止和杜绝局部发热现象。

由于卫星所处空间环境的影响，散热方式只有辐射和传导，且由于安装位置

的影响，DC/DC变换器一般主要通过传导进行散热，也就是通过机壳安装面，

将DC/DC变换器产生的热量经设备结构传导到设备壳体，再由设备安装面传导

到卫星壳体，由整星进行温控。

1MOSFET热耗控制

MOSFET的热耗主要来自导通损耗、开关损耗两部分。导通损耗是由于

MOSFET的导通电阻产生的，开关损耗是由MOSFET的开启和关断特性产生

的，而MOSFET的开启和关断特性取决于MOSFET的器件参数（如输入电容）、

驱动波形、工作频率、电路寄生参数等因素。

开关损耗的控制主要有以下几点。

①针对不同的MOSFET设计各自的栅极驱动，加速MOSFET的开启和关断。

另外，通过驱动加速电容，使得驱动波形的上升沿时间缩短。

②综合考虑设计合理的工作频率。

③通过变压器绕制工艺设计，控制变压器的漏感，进而减小MOSFET的漏