Dodano: wtorek, 05 wrzesień 2017r. Producent: XPPower

XP Power: Projektowanie dla niezawodności aplikacji wysokiego napięcia

Projektowanie dla niezawodności aplikacji wysokiego napięcia

Projekt referencyjny DER-612 firmy Power Integrations, opisujący stałonapięciowy, stałoprądowy, 12W izolowany zasilacz w topologii FlybackProjektowanie i produkcja produktów wysokiego napięcia łączy się dodatkowym zestawem wymagań, które muszą być wdrożone w celu uzyskania produktów o doskonałej długoterminowej niezawodności, często w trudnych warunkach. Ponieważ wysokonapięciowe zasilacze stają się coraz bardziej zwarte i zminiaturyzowane, opanowanie tych wymagań ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia długotrwałej i bezproblemowej pracy w terenie. Niewłaściwe zastosowanie tych zasad projektowania i produkcji może powodować, że MTBF w rzeczywistym świecie jest znacznie poniżej oczekiwań projektowych. W szkole nauczyliśmy się, że materiały były albo przewodnikami, albo izolatorami. Powietrze było określane mianem izolatora, a jednak błyskawice dowodzą, że powietrze nie zawsze nim jest. Witamy w świecie wysokiego napięcia!

Wysokie napięcie jest jak klatkowe zwierzę - nigdy nie przestaje próbować uciec. Tresowanie i kontrolowanie tego zjawiska jest zadaniem inżyniera i/lub fizyka. Obecnie dostępny jest szeroki wybór systemów izolacyjnych i materiałów, ale istnieje wiele czynników, które mogą spowodować, że te systemy ulegną awarii czyniąc ich rezultaty prawie zawsze katastrofalnymi. Jednym z pierwszych aspektów osiągnięcia niezawodności jest uwzględnienie cyklu termicznego, który może wystąpić w zasilaniu. Poza wpływem zmian temperatury, należy mieć na uwadze o niedopasowanych lub niezgodnych materiałach o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej i naprężeń mechanicznych, które mogą prowadzić do pęknięć izolacji. Inne czynniki, takie jak słaba przyczepność, kruchość wywołana wiekiem, nadmierne wahania temperatury, ekspozycja na promieniowanie UV, korona, ozon, olej mineralny i surowe środki czyszczące są innymi czynnikami, które mogą prowadzić do awarii.

Połączenie właściwości materiałów, czynników środowiskowych i projektu produktów może powodować nieplanowane efekty uboczne. Na przykład, prądy upływu mogą wzrastać w czasie, co może doprowadzić do awarii twardego łuku i katastrofy. Nadmierne prądy upływu mogą powodować błędy w obwodach sprzężenia zwrotnego o dużej impedancji, powodując dryfowanie napięcia i problemy stabilności w czasie wraz ze zmianami temperatury. Podłoża PWB FR4 mogą być szczególnie podatne na zanieczyszczenie i wchłanianą wilgoć, która obniża temperaturę zeszklenia FR4, co sprawia, że montaż jest podatny na uszkodzenia polowe w zastosowaniach z dynamicznymi warunkami termicznymi. Zanieczyszczenia, nieprawidłowe wypełniacze lub niekompletne utwardzenie mogą powodować nadmiernie wysokie prądy upływu, które są nieliniowe i niekorzystne w czasie i temperaturze, co może destabilizować system wysokiego napięcia.

Innym przykładem jest to, że obwody wysokiego napięcia są szczególnie podatne na migrację elektrochemiczną. Wilgoć może ułatwić powstanie jonów tworzących korozję włókien. Wzrost dendrytu może wynikać z jonów metali. Naprężenia wysokiego napięcia przyspieszają procesy elektrochemiczne (chociaż wąsy cyny mogą tworzyć się bez obecności pola elektromagnetycznego). Krystaliczne mikrostruktury utworzone przez migrację jonową tworzą bardzo wysokie gradienty napięcia i natężenia pola elektrycznego, co może prowadzić do przedwczesnego rozkładu między węzłami napięcia.

Dlatego też odpowiednie metody projektowana i kontroli produkcji są krytyczne i zazwyczaj muszą przekraczać udokumentowane standardy branżowe.

Dowiedz się więcej w Artykule technicznym firmy XP Power.