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消防应急照明和智能消防疏散指示系统开关电源的可靠性

2020-01-16

      大量的统计数据表明,智能消防疏散指示系统设计及元器件(元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率)的原因造成的故障,在开关电源故障原因中占80 % 左右。减少这两方面造成的开关电源故障,具有重要的意义。决定开关电源寿命的元器件主要有如下几种。

● 电解电容器

      电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液,这种现象会随着温度的升高而加速,一般认为温度每上升10 ℃,泄漏速度会提高1倍,因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。电解电容的寿命取决于其内部铝箔的温度,参考RIFA公司预计电解电容器寿命的公式:

      ① 损耗PLOSS = IRMS2 × ESR,IRMS为纹波电流,ESR为电容等效串联电阻;

      ② 铝箔温度Th = Ta + PLOSS × Rth,Ta为环境温度,Rth为电容器的热阻;

      ③ 预计寿命L = L0 × 2(T0-Th)/10℃,T0为电解电容额定使用温度(℃),L0为额定使用温度下的额定寿命。

      由以上公式可以看出,环境温度每升高10 ℃,电解电容器的寿命减小一半,同时影响电解电容寿命的因素还有纹波电流(IRMS)、从铝箔传递到周围环境的总的热阻(Rth),因此在设计时要考虑电解电容的耐纹波电流能力和电容的散热情况。

● 风扇

      由于风扇属于机械部件,其轴承润滑油的干枯、轴承的磨损,会导致风扇的失效。风扇失效后开关电源的散热会恶化,导致开关电源内部元器件温度升高加速开关电源的失效,因此对采用风扇作为散热部件的开关电源,风扇的寿命决定了开关电源的寿命。

● 光耦

      光耦通常用于开关电源内部由次级向初级传递反馈信号,光耦内部的红外发光二极管随工作时间的增加其光衰会逐渐增加,导致光耦的电流传输率(CTR)下降,当流过光耦发光二极管的电流上升到最大限制电流时,不能再维持电路工作需要反馈量,会导致系统反馈环路失效,输出电压失控。温度越高,光耦内部红外发光二极管的发光效率越低,需要的电流越大,光耦的CTR下降也越快。

● 半导体器件

      研究表明:硅半导体器件随温度的升高失效率呈指数增加,温度每升高10 ℃ ,失效率增加1倍。对于工作在硬开关模式的开关电源,开关管的发热量很大,如果散热处理不好很容易出现局部温度过高的现象,导致开关管过早失效。

● 冲击电流保护电阻、防雷器件

      为抵抗电源接通时给电解电容充电产生的冲击电流,设计者通常将功率电阻与可控开关并联起来使用。电源接通时的电流峰值高达额定数值的数十倍至数百倍,结果会导致电阻热应力疲劳,引起电阻开路现象。防雷器件加在开关电源的输入端,用于吸收雷击或浪涌电压,一般使用ZnO压敏电阻和气体放电管GDT的组合,但是压敏电阻和气体放电管的放电次数通常只有几十到几百次。压敏电阻由于本身的老化或承受电压的多次冲击时,会出现漏电流迅速增加从而发热导致过热损坏,表现为短路。气体放电管多次冲击后性能会下降,同时在长时间使用过程中会有漏气失效这种自然失效的情况,最终失去保护作用。

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