開關(guān)電源多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù).pdf

1、隨著可靠性要求越來越高，開關(guān)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(guān)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(guān)電源廠家亟待解決的技術(shù)難題。目前，開關(guān)電源仿真較少考慮功率半導(dǎo)體器件的電熱耦合效應(yīng)，仿真精度不高，且無可以直接用于開關(guān)電源穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，沒有考慮退化過程的分散性，無法根本解決開關(guān)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(chǔ)上，研究開關(guān)電源多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)及其容差，合理分配元器件的質(zhì)量要求，降低開關(guān)電源輸出特性和關(guān)鍵元器件應(yīng)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(shè)計(jì)角度為生產(chǎn)過程關(guān)鍵工序的定量化控制提供一定的理論指導(dǎo)。
　　首先，研究基于iSIGHT的開關(guān)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(dǎo)體器件的電熱耦合效應(yīng)，明確其特性參數(shù)與溫度的關(guān)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(chǔ)上，以某開關(guān)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(jìn)行集成，準(zhǔn)確描述開關(guān)電源的電熱特性與下位特性參數(shù)的關(guān)系，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。
　　其次，針對開關(guān)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(shè)計(jì)方法?；谡辉囼?yàn)的靈敏度分析，確定導(dǎo)致多元質(zhì)量波動的關(guān)

4、鍵因素；對關(guān)鍵因素進(jìn)行最優(yōu)拉丁超立方抽樣，構(gòu)建試驗(yàn)樣本；以均方根誤差 RMSE（Relative Mean Square Error）和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為評價(jià)指標(biāo)，分析徑向基函數(shù)對開關(guān)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(yàn)證采樣策略提高近似模型的全局精度。在此基礎(chǔ)上，研究基于近似模型的多目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，同步求得關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的均值和容差，以給出提高開關(guān)電源初始質(zhì)量一致性的最佳設(shè)計(jì)方案。<

5、br>　　然后，根據(jù)開關(guān)電源全壽命周期質(zhì)量穩(wěn)健性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要，對基于敏感參數(shù)的元器件性能退化建模技術(shù)展開研究。在判別出元器件敏感參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別針對線性和非線性退化情況，研究相應(yīng)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(jī)效應(yīng)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(jì)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(jìn)行估計(jì)。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(jié)合，研究考慮性能退化的多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。建立開關(guān)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(jì)算方法。根據(jù)性能可靠度的計(jì)算結(jié)果，針對開關(guān)電源的輸出特性，建立基于壽命周期質(zhì)量損失準(zhǔn)則的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；針對開關(guān)電源的關(guān)鍵元器件，建立基于退化失效時間的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guān)電源性能退化過程的一致性。
　　本研究對提高國產(chǎn)開關(guān)電源的質(zhì)量一致性設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化能力具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，其關(guān)鍵技術(shù)與研究思路也可為其