电源出现故障的五个主要原因

电源是任何电子系统的基础。在这篇文章中，我使用行业研究和我自己的长期经验来介绍电源故障的五个原因。它还将提供您作为设计工程师应采取的必要预防措施，以避免系统故障。  

分析数据

本文分析的电源数据部分基于 Excelsys 在全球许多应用中进行的研究，以及北美电源翻新/维修公司 Power Clinic。自 1987 年以来，Power Clinic 收集了来自 1,600 多家不同公司的 12,000 多种不同型号的电源故障数据。这包括仅在 2015 年就发送给他们的 1,700 多个设备的数据，让您了解在日常工作中看到了多少非工作电源。 

为了涵盖所有电力行业领域，本文还依赖于对 Ridley Engineering 的 Ray Ridley 博士所做的一项研究的分析，该研究基于其LinkedIn“电源”小组的意见。该小组有超过 6,000 名成员参与讨论该主题。  

从这些来源分析的数据涵盖所有市场和应用，包括工业、医疗电子、军事、电信、数据通信以及计算和科学领域。它包括最常见的电力电子应用，从低成本到极高成本，包括飞行模拟器、数字标牌、医疗设备测试和测量设备以及半导体设备。 

电源或产品（例如 ATX 电源或用于超低成本应用的产品）未进行分析，因为很难获得旨在一次性使用的退货数据。   

电源故障的主要原因

一个基本的物理定律是，如果您能够将电源环境温度保持在 40°C 以下，每升高 10°C，平均故障间隔时间 (MTBF) 就会增加一倍。相反，您的电源的环境温度每升高 10°C，您的 MTBF 就会减少一半（也就是说，您的电源的可靠性只有一半）。此列表中的许多（但不是全部）故障机制与温度有关。

与自古以来一直使用的金属机箱相比，我们越来越多地看到终端设备塑料机箱的使用，这会影响散热和 EMC。您可以采取任何措施来增强系统中电源周围的热管理，这一点至关重要。  

1. 粉丝

正如军用 MTBF 模拟和 Belcore 标准以及在现实中模拟和演示的那样，风扇是电源的头号故障机制。作为电源中唯一的机电运动部件，即使在设计最合理的电源中，风扇也容易发生故障。通常，我们看到对电源的无风扇要求只是让最终用户添加风扇以消除整个系统的热量。但是这种方法只是将问题从一个地方转移到另一个地方。

该行业的另一个问题是假冒风扇扩散到供应链中。在我所知道的一个案例中，一位客户发现他们购买的替代风扇与原来的风扇没有什么区别——除了它比原来的空气少 30% 并且消耗的功率不同。确保您的供电合作伙伴有流程将假冒零件排除在供应链之外，这一点很重要；否则，低成本电源将很快变得昂贵。 

可以密封无风扇系统，这也消除了其他问题，包括水分进入。在户外应用（例如数字标牌）的情况下，密封系统可以防止树叶、虫子、树枝和鸟巢，以及雨水和湿气，在海上应用的情况下，可以防止盐和雾。  

卸下风扇可将可靠性提高 25%，是避免故障的最佳解决方案。保持电源效率足够高的良好设计使风扇变得不必要。 

良好的电力电子设计的关键是：“ 如果可以，就不需要风扇。” 为了满足这一需求，Excelsys 最近推出了一种对流冷却模块化电源，该电源可在不使用风扇辅助冷却的情况下提供 600 W 的输出功率。

2. 电容器

尽管普遍认为，电容器技术每年都在取得很大进展。但是，如果压力过大或在生产中制造替代品或通过伪造，它们很容易失败。 

电容器，尤其是电解电容器，可能会在许多不同的故障状态下出现故障，包括膨胀、泄漏、爆炸、短路、电容降低或电路 ESR 增加。有时过热会导致电容器损坏。电解电容器可能会泄漏化学物质，进而导致腐蚀、侵蚀 PCB 走线和其他问题造成进一步损坏。

为防止出现故障，请使用知名品牌的优质电容器。另外，减额。保持电容器尽可能凉爽，并观察纹波电流以确保它们没有受到过大的压力。重要的是要知道，电解电容器的存储寿命仅限于两年，而电源不通电，这是通常被忽视的事情。作为电源设计人员，我们会尽可能避免使用电解电容器，但如果无法避免，我们会尽我们所能找到最好的。（我们指定最长无动力储存两年，以避免电解液受到长期无动力储存的影响。） 

3、功率元件

功率开关元件或 MOSFET 是电源运行的主要力量，如果散热不足，或者漏极过压、漏极过流、栅极过压或内部反并联二极管过载，有时会导致故障。

正确的设计和组件的降额将大大有助于 MOSFET 在应用中具有良好的长寿命。适当的设计、注意控制电路、回路测试和降额可以确保这些组件的正常运行和长寿命。 

功率二极管也可能由于不当的散热或热管理、气流等而失效。驱动电感电路中的过电压可能会损坏肖特基二极管。在过压期间，它们不像 MOSFET 那样宽容。此外，整流器中的开关损耗可能是一个很大的热源。当开关时间随温度延长一点时，可能会出现 TRR 拖尾，从而导致热量升高，并且可能会出现正反馈回路，并且可能会损坏部件。在设计过程中必须仔细考虑这个潜在问题，以保持低功耗。正确的设计、组件选择和表征，连同降额，将创造奇迹。  

4.控制IC

控制 IC 通常具有不寻常的工作区域，如果被误解或误用，可能会导致故障。这包括不正确的时钟操作或不正确的 PCB 布局，这将使控制 IC 容易受到噪声或振荡的影响。所有控制器 IC 都有自己独特的行为，需要在应用程序中得到充分理解，包括预期应用程序的变通方法和“未记录的特性”。 

为避免商用控制 IC 出现故障，必须了解启动条件。限流、软启动模式、适当的栅极驱动、间距和测量控制回路——所有这些都必须完成以确保在所有条件下稳定运行。控制 IC 必须每次都能完美工作；否则，可能会在 MOSFET 中看到损坏，因为当控制 IC 发生故障或变得不稳定时，它们会首当其冲。随着数字控制器越来越多地用于电力电子设计，我们认为软件和控制 IC 是一个问题，有时是控制 IC 出现故障；然而，最终被取出的通常是开关 MOSFET。  

5. 环境原因

当使用进入电源通风口和风扇端口的消毒溶液清洁设备时，有时会在医疗电子设备中看到湿气进入的环境问题（消除风扇的另一个原因）。水分会腐蚀电子设备并最终导致故障。来自用户环境的其他故障模式包括远高于额定值和许多 IEC 标准的浪涌和瞬变，这通常会损坏电源前端的半导体组件。这些环境问题中的一些可以通过应用程序中的设计来控制，而有些则不能。 

其他环境问题是雷击和其他感应的电力线浪涌和瞬变。通过仔细设计和测试电源以及添加外部保护组件，可以最大限度地减少这些原因造成的损失。例如，Littelfuse 有出色的浪涌保护器件，例如 LSP10240 系列，可以处理巨大的瞬变和浪涌，以保护系统的交流输入。较新的电源设计了浪涌保护，有些还设计为可处理 300 Vac 5 秒钟，因为全球电力线的稳定性并不能保证。

其他环境考虑因素是负载 - 无功负载，例如再生电机驱动、电池充电、超级电容等。应考虑负载，并且可能会添加二极管等保护电路。在您的应用中，这可能会阻止来自电动发电机的 250 V 电压应用于电源的 24 V 输出。 

在我使用的许多具有反应性负载的应用程序中，该问题由 Excelsys 的 XGR 和 XGT 模块等反应性负载模块解决。这些模块采用内置旁路二极管和阻断电路，因此无需任何外部电路来保护电源免受反电动势的影响。这种方法常常能创造奇迹。  

得到教训

还有其他可能导致电源故障的情况，但根据研究，我所描述的情况最常发生。在设计系统时，主要规则是将电源本身作为首要考虑因素，而不是最后考虑因素。

如果可能，工程师应尽量使用无风扇电源来消除风扇。他们还应该使用合法的组件并创建一个设计良好、强大的系统。选择提供延长保修期的电源合作伙伴也很重要，以帮助确保他们知道自己在做什么。但对于工程师来说，了解保修也非常重要。例如，当您的低成本电源出现故障时，这可能意味着当您从遥远的土地下下一个 1,000 件起订量订单时，您将收到一个新电源。但是，该解决方案并没有开始为失败的费用付出代价。 

一家高质量的电源公司将从经验中吸取教训，并将其融入新的设计中，以提高可靠性并减少现场问题。提供长期保修意味着您首先不会在现场遇到任何问题。

审核编辑：汤梓红