電源是任何電子系統的基礎。在這篇文章中，我使用行業研究和我自己的長期經驗來介紹電源故障的五個原因。它還將提供您作為設計工程師應采取的必要預防措施，以避免系統故障。??

分析數據

本文分析的電源數據部分基于 Excelsys 在全球許多應用中進行的研究，以及北美電源翻新/維修公司 Power Clinic。自 1987 年以來，Power Clinic 收集了來自 1,600 多家不同公司的 12,000 多種不同型號的電源故障數據。這包括僅在 2015 年就發送給他們的 1,700 多個設備的數據，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領域，本文還依賴于對 Ridley Engineering 的 Ray Ridley 博士所做的一項研究的分析，該研究基于其LinkedIn“電源”小組的意見。該小組有超過 6,000 名成員參與討論該主題。 ?

從這些來源分析的數據涵蓋所有市場和應用，包括工業、醫療電子、軍事、電信、數據通信以及計算和科學領域。它包括最常見的電力電子應用，從低成本到極高成本，包括飛行模擬器、數字標牌、醫療設備測試和測量設備以及半導體設備。?

電源或產品（例如 ATX 電源或用于超低成本應用的產品）未進行分析，因為很難獲得旨在一次性使用的退貨數據。? ?

電源故障的主要原因

一個基本的物理定律是，如果您能夠將電源環境溫度保持在 40°C 以下，每升高 10°C，平均故障間隔時間 (MTBF) 就會增加一倍。相反，您的電源的環境溫度每升高 10°C，您的 MTBF 就會減少一半（也就是說，您的電源的可靠性只有一半）。此列表中的許多（但不是全部）故障機制與溫度有關。

與自古以來一直使用的金屬機箱相比，我們越來越多地看到終端設備塑料機箱的使用，這會影響散熱和 EMC。您可以采取任何措施來增強系統中電源周圍的熱管理，這一點至關重要。 ?

1. 粉絲

正如軍用 MTBF 模擬和 Belcore 標準以及在現實中模擬和演示的那樣，風扇是電源的頭號故障機制。作為電源中唯一的機電運動部件，即使在設計最合理的電源中，風扇也容易發生故障。通常，我們看到對電源的無風扇要求只是讓最終用戶添加風扇以消除整個系統的熱量。但是這種方法只是將問題從一個地方轉移到另一個地方。

該行業的另一個問題是假冒風扇擴散到供應鏈中。在我所知道的一個案例中，一位客戶發現他們購買的替代風扇與原來的風扇沒有什么區別——除了它比原來的空氣少 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鏈之外，這一點很重要；否則，低成本電源將很快變得昂貴。?

可以密封無風扇系統，這也消除了其他問題，包括水分進入。在戶外應用（例如數字標牌）的情況下，密封系統可以防止樹葉、蟲子、樹枝和鳥巢，以及雨水和濕氣，在海上應用的情況下，可以防止鹽和霧。 ?

卸下風扇可將可靠性提高 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計使風扇變得不必要。?

良好的電力電子設計的關鍵是：“ 如果可以，就不需要風扇。” 為了滿足這一需求，Excelsys 最近推出了一種對流冷卻模塊化電源，該電源可在不使用風扇輔助冷卻的情況下提供 600 W 的輸出功率。

2. 電容器

盡管普遍認為，電容器技術每年都在取得很大進展。但是，如果壓力過大或在生產中制造替代品或通過偽造，它們很容易失敗。?

電容器，尤其是電解電容器，可能會在許多不同的故障狀態下出現故障，包括膨脹、泄漏、爆炸、短路、電容降低或電路 ESR 增加。有時過熱會導致電容器損壞。電解電容器可能會泄漏化學物質，進而導致腐蝕、侵蝕 PCB 走線和其他問題造成進一步損壞。

為防止出現故障，請使用知名品牌的優質電容器。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有受到過大的壓力。重要的是要知道，電解電容器的存儲壽命僅限于兩年，而電源不通電，這是通常被忽視的事情。作為電源設計人員，我們會盡可能避免使用電解電容器，但如果無法避免，我們會盡我們所能找到最好的。（我們指定最長無動力儲存兩年，以避免電解液受到長期無動力儲存的影響。）?

3、功率元件

功率開關元件或 MOSFET 是電源運行的主要力量，如果散熱不足，或者漏極過壓、漏極過流、柵極過壓或內部反并聯二極管過載，有時會導致故障。

正確的設計和組件的降額將大大有助于 MOSFET 在應用中具有良好的長壽命。適當的設計、注意控制電路、回路測試和降額可以確保這些組件的正常運行和長壽命。?

功率二極管也可能由于不當的散熱或熱管理、氣流等而失效。驅動電感電路中的過電壓可能會損壞肖特基二極管。在過壓期間，它們不像 MOSFET 那樣寬容。此外，整流器中的開關損耗可能是一個很大的熱源。當開關時間隨溫度延長一點時，可能會出現 TRR 拖尾，從而導致熱量升高，并且可能會出現正反饋回路，并且可能會損壞部件。在設計過程中必須仔細考慮這個潛在問題，以保持低功耗。正確的設計、組件選擇和表征，連同降額，將創造奇跡。 ?

4.控制IC

控制 IC 通常具有不尋常的工作區域，如果被誤解或誤用，可能會導致故障。這包括不正確的時鐘操作或不正確的 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 都有自己獨特的行為，需要在應用程序中得到充分理解，包括預期應用程序的變通方法和“未記錄的特性”。?

為避免商用控制 IC 出現故障，必須了解啟動條件。限流、軟啟動模式、適當的柵極驅動、間距和測量控制回路——所有這些都必須完成以確保在所有條件下穩定運行。控制 IC 必須每次都能完美工作；否則，可能會在 MOSFET 中看到損壞，因為當控制 IC 發生故障或變得不穩定時，它們會首當其沖。隨著數字控制器越來越多地用于電力電子設計，我們認為軟件和控制 IC 是一個問題，有時是控制 IC 出現故障；然而，最終被取出的通常是開關 MOSFET。 ?

5. 環境原因

當使用進入電源通風口和風扇端口的消毒溶液清潔設備時，有時會在醫療電子設備中看到濕氣進入的環境問題（消除風扇的另一個原因）。水分會腐蝕電子設備并最終導致故障。來自用戶環境的其他故障模式包括遠高于額定值和許多 IEC 標準的浪涌和瞬變，這通常會損壞電源前端的半導體組件。這些環境問題中的一些可以通過應用程序中的設計來控制，而有些則不能。?

其他環境問題是雷擊和其他感應的電力線浪涌和瞬變。通過仔細設計和測試電源以及添加外部保護組件，可以最大限度地減少這些原因造成的損失。例如，Littelfuse 有出色的浪涌保護器件，例如 LSP10240 系列，可以處理巨大的瞬變和浪涌，以保護系統的交流輸入。較新的電源設計了浪涌保護，有些還設計為可處理 300 Vac 5 秒鐘，因為全球電力線的穩定性并不能保證。

其他環境考慮因素是負載 - 無功負載，例如再生電機驅動、電池充電、超級電容等。應考慮負載，并且可能會添加二極管等保護電路。在您的應用中，這可能會阻止來自電動發電機的 250 V 電壓應用于電源的 24 V 輸出。?

在我使用的許多具有反應性負載的應用程序中，該問題由 Excelsys 的 XGR 和 XGT 模塊等反應性負載模塊解決。這些模塊采用內置旁路二極管和阻斷電路，因此無需任何外部電路來保護電源免受反電動勢的影響。這種方法常常能創造奇跡。 ?

得到教訓

還有其他可能導致電源故障的情況，但根據研究，我所描述的情況最常發生。在設計系統時，主要規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，工程師應盡量使用無風扇電源來消除風扇。他們還應該使用合法的組件并創建一個設計良好、強大的系統。選擇提供延長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。但對于工程師來說，了解保修也非常重要。例如，當您的低成本電源出現故障時，這可能意味著當您從遙遠的土地下下一個 1,000 件起訂量訂單時，您將收到一個新電源。但是，該解決方案并沒有開始為失敗的費用付出代價。?

一家高質量的電源公司將從經驗中吸取教訓，并將其融入新的設計中，以提高可靠性并減少現場問題。提供長期保修意味著您首先不會在現場遇到任何問題。

審核編輯：湯梓紅