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      決定開關電源壽命的元器件

      1、決定開關電源壽命的元器件

      ①電解電容器

      電解電容器的封口部位會漏出氣化的電解液,這種現象會隨著溫度的升高而加速,一般認為溫度每上升10℃,泄漏速度會提高至2倍。因此可以說電解電容器決定了電源裝置的壽命。

      ② 風扇

      球形軸承及軸承的潤滑油枯竭、機械裝置部件的磨損,會加速風扇的老化。加之近年的DC風扇的驅動回路開始使用電解電容器等部件,所以有必要將回路部件壽命等因素也一并考慮進去。

      ③ 光電耦合器

      電流傳達率(CTR;Current Transfer Ratio)隨著時間的推移會逐漸減少,結果發光二極管的電流不斷增大,有時會達到zui大限制電流,致使系統失控。

      ④ 開關

      多數開關電源設有電容器輸入型的整流回路,在通入電源時,會產生浪涌電流,導致開關接點疲勞,引發接觸電阻增大及吸附等問題。理論上認為,在電源期望壽命期間,開關的通斷次數約有5,000回。

      ⑤ 沖擊電流保護電阻、熱敏功率電阻器

      為抵抗電源通入時產生的沖擊電流,設計者將電阻與SCR等元件并聯起來使用。電源通入時的電力峰值高達額定數值的數十倍至數百倍,結果導致電阻熱疲勞,引起斷路。處在相同情況下的熱敏功率電阻器也會發生熱疲勞現象。

      2、各部件壽命的評估計算

      ①電解電容器

      1、壽命性能

      電解電容器的壽命結束形式為磨損故障,決定壽命的主要因素為靜電容量、損失角的正切(tanδ)、漏電流等。隨著時間的推移,靜電容量減少,tanδ增大。漏電流在外加電壓時有增加的趨勢,所以對負荷的壽命影響不大。

      2、壽命的判定

      用百分比來表示靜電容量相對于起始值的變化率,一般達到-20%以下時即告壽命結束。tanδ的值在超過規定值時壽命結束。漏電流在零負荷的情況下有增加的趨勢,同理,在超過規定值時壽命結束。

      3、影響壽命的主要原因

      前面講到的特性之所以會產生劣化,其主要原因在于電解液。隨著溫度的上升,電解液氣化,經電容器的封口部位向外泄漏,內部的電解液不斷減少。隨著電解液量的減少,tanδ會逐漸增大,結果,脈沖電流經由時產生的發熱量增大,又進一步加快了劣化過程。這種關系如圖 4、圖 5 所示。

      4、壽命的推算

      鋁電解電容器的近似壽命可以由環境溫度與脈沖電流引起的自發熱溫度中推得。下面的式子表現了壽命與環境溫度之間的關系。

      測定脈沖發熱的升溫值時,需避開其它熱輻射。另外,小型電解電容器受熱極易升溫,zui好進行表面溫度實測。

      ② 光電耦合器

      GaAs 系的紅外發光二極管多使用光電耦合器。這種發光二極管的發光效率的退化會導致CTR(電流傳達率)下降,其它的 CTR 劣化形式還有芯片面的光結合樹脂剝離。溫度越高, CTR 的下降也越快。同時,二極管電流越大,CTR 下降也越快。圖 6、圖 7 標明了這些因素間的關系。

      CTR 降至起始值的 50%所耗的時間稱為半衰期。電源回路的統計中以此為限界值,所以可以認為半衰期就是壽命時間。通常條件下,半衰期為 5 萬~10 萬小時,但所有的光電耦合器都具有如圖 8 所示的壽命值,因而在進行壽命評估之前zui好確認一次。

      ③ 風扇

      風扇的壽命受軸承及球形軸承的磨損程度影響。軸承部分因旋轉而發熱,風扇自身雖能進行一定程度的冷卻,但不能從根本上解決發熱問題。測出軸承部位的升溫值,升溫值越小,質量越好,由此來選擇合適的制造商。

      軸承部位的潤滑油干枯及軸承的磨損導致轉數下降,噪音增大,加快了壽命的終結。關于轉數的減少,各制造商的標準不盡相同,但一般以起始值的 3~5%為上限。壽命隨著溫度的上升而縮短。普通的 DC 無刷電動機在 40℃的環境下,壽命約為 40,000 小時,廉價的金屬軸承風扇約為 10,000 小時。圖 9 標出了風扇的壽命的特性值。另外,DC 風扇的壽命還受內臟部分——電動機驅動回路影響。風扇中經常會用到鋁電解電容器,因此有必要將電容器拆開檢查(鋁電解是 105℃)。


      ④ 防浪涌電阻、熱敏電阻

      電阻

      電阻的穩定性高,故障率為 1FIT 以下,壽命極長,所以平時使用時無需特別留意。

      沖擊電流防護回路中使用的像電阻器一樣帶有浪涌電力的元件,會因為開·關的循環而發生熱疲勞,導致斷路。浪涌電力、持續時間和循環次數成以下關系。

      帶負荷的衰減波形的耐浪涌特性如圖 13所示。將zui大的第 一波形的峰值電壓(Vp)代入(7)式,可得 Vrms,再代入(8)式,可求得額定電力倍數。這兩個數值和衰減時間常數 r 都適用于圖 13。該曲線的內側為安全地帶。使用普通的鎳鉻線(耐浪涌)時,約可承受 30,000 次浪涌。

      時間常數是當衰減波形的實效值降至第 一波形的 0.368 倍時的時間值,所以其數值一般從電阻值上的波形照片中獲得。

      熱敏電阻

      ① 壽命性能

      作為沖擊電流防護回路的部件,使用在較小容量(不超過 70W)的電源中。電源接入時,電流達到zui大值,熱敏電阻隨著溫度的上升,電阻值降低。通常溫度會上升至 70~90℃,雖然熱敏電阻采用的是耐熱材料,但熱疲勞仍然會影響其壽命。制造商方面的壽命規格:當通過zui大允許電流時,斷續負荷的壽命為 10,000 次循環。然而,熱敏電阻器在用來防護沖擊電流時,電源通入后,電阻上通過的電流會達到zui大允許電流的 10~20 倍,所以功率循環的耐用期也會縮短。

      ② 壽命判定

      電阻值隨時間的推移而發生變化,其變化率超過規定值時,壽命即告終止。熱敏功率電阻在用來防護沖擊電流時,電阻值會逐漸變大。表 3 列出了熱敏電阻壽命性能規格。


      ⑤ 繼電器、開關

      繼電器和開關的壽命分兩種:一為機械壽命,一為電壽命。前者由機械部件的磨損程度決定,包括開關靈活性下降、繼電器工作時間和復位時間延長等現象。后者主要受絕緣電阻和接點的接觸電阻增大的影響。以上幾種劣化形式中,zui需要引起注意的是電感負載的浪涌電壓引發的接點電弧現象,以及沖擊電流引發的接點劣化問題。一般來說,開關電壓和電流越大,接點壽命越短。功率因數越小,壽命越短。圖 14 表示了繼電器的壽命性能。


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