開關電源多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設計技術.pdf

1、隨著可靠性要求越來越高，開關電源的質(zhì)量一致性問題已成為制約我國電子系統(tǒng)可靠性和壽命提升的關鍵因素。因此，如何提升批量產(chǎn)品的質(zhì)量一致性，降低全壽命周期的個體差異，已成為開關電源廠家亟待解決的技術難題。目前，開關電源仿真較少考慮功率半導體器件的電熱耦合效應，仿真精度不高，且無可以直接用于開關電源穩(wěn)健優(yōu)化設計的近似建模方法。另外，現(xiàn)有方法只針對初始質(zhì)量特性進行優(yōu)化設計，沒有考慮退化過程的分散性，無法根本解決開關電源產(chǎn)品全壽命周期的質(zhì)量一致性問

2、題。
　　本文在綜合分析行業(yè)需求以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎上，研究開關電源多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設計方法。通過優(yōu)化關鍵設計參數(shù)及其容差，合理分配元器件的質(zhì)量要求，降低開關電源輸出特性和關鍵元器件應力對各種不確定因素的敏感性，提高產(chǎn)品固有質(zhì)量。同時，從設計角度為生產(chǎn)過程關鍵工序的定量化控制提供一定的理論指導。
　　首先，研究基于iSIGHT的開關電源電熱耦合建模與仿真分析方法。建立高頻變壓器的等效電路模型，并采用有限元仿真提取模型參數(shù)

3、；分析功率半導體器件的電熱耦合效應，明確其特性參數(shù)與溫度的關系，建立功率肖特基二極管和MOSFET的電熱耦合仿真模型。在此基礎上，以某開關電源為例，分別建立電路仿真模型和穩(wěn)態(tài)熱場仿真模型，并采用iSIGHT平臺對電、熱仿真過程進行集成，準確描述開關電源的電熱特性與下位特性參數(shù)的關系，為后續(xù)研究奠定基礎。
　　其次，針對開關電源多元質(zhì)量的波動，研究基于序貫近似建模的穩(wěn)健優(yōu)化設計方法。基于正交試驗的靈敏度分析，確定導致多元質(zhì)量波動的關

4、鍵因素；對關鍵因素進行最優(yōu)拉丁超立方抽樣，構建試驗樣本；以均方根誤差 RMSE（Relative Mean Square Error）和復相關系數(shù)R2為評價指標，分析徑向基函數(shù)對開關電源多元質(zhì)量特性近似建模的適用性，確定各質(zhì)量特性的最佳基函數(shù)和寬度系數(shù)c，并通過交叉驗證采樣策略提高近似模型的全局精度。在此基礎上，研究基于近似模型的多目標穩(wěn)健優(yōu)化設計方法，同步求得關鍵設計參數(shù)的均值和容差，以給出提高開關電源初始質(zhì)量一致性的最佳設計方案。<

5、br>　　然后，根據(jù)開關電源全壽命周期質(zhì)量穩(wěn)健性分析與優(yōu)化設計的需要，對基于敏感參數(shù)的元器件性能退化建模技術展開研究。在判別出元器件敏感參數(shù)的基礎上，分別針對線性和非線性退化情況，研究相應的退化建模方法。針對具有線性退化路徑的鋁電解電容，提出考慮測量誤差的隨機效應退化建模方法，模型參數(shù)則通過EM（Expectation Maximization）迭代的極大似然估計求得。本文以ESR（Equivalent Series Resistanc

6、e）和電容值C為敏感參數(shù)建立鋁電解電容的退化模型。針對具有非線性退化路徑的功率 MOSFET，提出基于非線性Wiener過程的退化建模方法，并采用MCMC（Markov Chain Monte Carlo）仿真對模型參數(shù)進行估計。本文采用該方法建立功率 MOSFET閾值電壓和溝道電阻的退化模型。
　　最后，將電熱耦合仿真模型與元器件性能退化模型結合，研究考慮性能退化的多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設計方法。建立開關電源的時變系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)模型和時

7、變極限性能狀態(tài)方程，研究基于集合理論的性能可靠度計算方法。根據(jù)性能可靠度的計算結果，針對開關電源的輸出特性，建立基于壽命周期質(zhì)量損失準則的穩(wěn)健優(yōu)化設計模型；針對開關電源的關鍵元器件，建立基于退化失效時間的穩(wěn)健優(yōu)化設計模型。通過優(yōu)化設計變量及其容差改善產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)的性能穩(wěn)健性，提高開關電源性能退化過程的一致性。
　　本研究對提高國產(chǎn)開關電源的質(zhì)量一致性設計、分析與優(yōu)化能力具有重要的理論意義和實用價值，其關鍵技術與研究思路也可為其