電路設計中的元件降額設計 - 全文

　　一、概述

　　降額設計就是使元器件或產品工作時承受的工作應力適當?shù)陀谠骷虍a品規(guī)定的額定值，從而達到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。20世紀50年代，日本的色摩亮次發(fā)現(xiàn)，溫度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。實踐證明，對元器件的某些參數(shù)適當降額使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性。因電子產品的可靠性對其電應力和溫度應力比較敏感，故而降額設計技術和熱設計技術對電子產品則顯得尤為重要。它是可靠性設計中必不可少的組成部分。下面介紹電子元件的降額技術。

　　對于各類電子元器件，都有其最佳的降額范圍，在此范圍內工作應力的變化對其失效率有明顯的影響，在設計上也較容易實現(xiàn)，并且不會在產品體積、重量和成本方面付出過大的代價。當然，過度的降額并無益處，會使元器件的特性發(fā)生或導致元器件的數(shù)量不必要的增加或無法找到適合的元器件，反而對產品的正常工作和可靠性不利。

　　二、術語

　　1、應力：在貯存/運輸和工作中對于元器件產品的功能產生影響的各種外界因素，統(tǒng)稱為應力。常遇到的有：

　　（ⅰ）電應力：指元器件外加的電壓/電流及功率等。

　　（ⅱ）溫度應力：指元器件所處的工作環(huán)境的溫度。

　　（ⅲ）機械應力：指元器件所承受的直接負荷、壓力、沖擊、振動、碰撞和跌落，等等。

　　（ⅳ）環(huán)境應力：指元器件所處工作環(huán)境條件下除溫度外的其它外界因素，例如：灰塵、溫度、氣壓、鹽霧、腐蝕，等等。

　　（ⅴ）時間應力：指元器件承受應力時間的長短（承受應力時間越長，越易老化或失效。）

　　2、基本失效率（λь）：指元器件在額定條件下工作時的失效率，也稱為額定失效率或通用失效率（一般由元器件制造廠產品目錄提供）。

　　3、失效率（λр）：指元器件在實際運用狀態(tài)下工作時的失效率，也稱為現(xiàn)場失效率。

　　一般λр﹥λь λр ＝λьΠπī

　　4、降額系數(shù)（S）：元器件降額應用時引入一個降額系數(shù)，其定義為：

　　降額系數(shù)定義實際上與電應力系數(shù)的定義相同，故兩者可以通用。

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　　三、降額等級

　　在最佳降額范圍內，一般又分3個降額等級：

　　1、Ⅰ級是最大的降額，適用于設備故障將會危及安全，導致任務失敗和造成嚴重經濟損失情況時的降額設計。它是保證設備可靠性所必須的最大降額。若采用比它還大的降額，不但設備的可靠性不會再增長多少，而且設計上是難以接受的。

　　2、Ⅱ級降額

　　Ⅱ級降額是中等降額，適用于設備故障將會使工作任務降級和發(fā)生不合理的維修費用情況的設備設計。這級降額仍在降低工作應力可對設備可靠性增長有明顯作用的范圍內，它比Ⅰ級降額易于實現(xiàn)。

　　3、Ⅲ級降額

　　Ⅲ級降額是最小的降額，適用于設備故障只對任務完成有小的影響和可經濟的修復設備的情況。這級降額可靠性增度效果最大，設計上也不會有什么困難。

　　四、降額設計應用舉例

　　1、某電子設備用質量等級B2的硅NPN管（單）用于線性電路放大。已知此管使用在GF1環(huán)境中，使用公耗為0.28W，額定功率為0.8W，即電路中采用了降額設計，環(huán)境溫度為40℃，外加電壓（工作電壓）是額定電壓的60%，求工作失效率λр。

　　2、分析與比較

　　上例，如果不采用降額設計措施，或降額設計措施不夠，則元器件的基本失效率就會增大。現(xiàn)假定使用功耗為0.72W，額定功率為0.8W，即S=0.72/0.8=0.9，外加電壓是額定電壓的100%，即S2=ⅤCE/ⅤCEO=1，求此管的工作失效率λрl。

　　不采取降額設計措施與采取降額措施的比較，根據(jù)以上計算，得：

　　λрl/λр=4.77/0.3608=13.2

　　就是說，上例不采取降額設計措施NPN管的工作失效率λр是采取降額設計措施NPN管工作失效率的13.2倍。因此，降額設計是很重要的，付出的代價小，而效果大，同時在電路設計中容易實現(xiàn)。

　　3、經驗教訓

　　某廠質量流量計的電源前期設計，未采用降額設計，其調整管僅按計算其功耗為0.8W（在常溫20℃～25℃），選用額定功率為1W的晶體管。結果在調試時和在用戶使用中發(fā)生故障頻繁。分析其原因主要是該管額定功耗1W時的環(huán)境溫度為25℃，而實際工作時該管處于的環(huán)境溫度為60℃，此管此時實際最大功耗已達1W。經可靠性工程師分析和建議，選用同參數(shù)2W的晶體管，這時降額系數(shù)S≌0.5。因而產品的故障很快得到解決。

　　五、降額設計的要點

　　1、降低元器件在電路中所承受的應力（一般主要指溫度應力及電應力）可以提高元器件的可靠性，但降額要適當，過低的應力有時會引起新的失效。降低應力可以提高可靠性，但會增加重量、體積、費用等因素，這都與設計參數(shù)有關，因而需要綜合權蘅。降額不僅考慮電路的穩(wěn)態(tài)工作情況，還要考慮到電路中可能出現(xiàn)的暫態(tài)過載及動態(tài)電應力。

　　2、電阻器和電位器的降額主要是功率降額。對于承受高壓的情況還需電壓降額。

　　3、電容器的降額主要是電壓和功耗的降額，有時工作頻率也要降額。

　　4、數(shù)字集成電路主要是對其負載降額，對其應用頻率也要降額。

　　5、線性與混合集成電路的降額主要是工作電流或工作電壓的降額。

　　6、微波集成電路的降額主要是功率和頻率的降額。

　　7、晶體管的降額主要是工作電流、工作電壓和功耗的降額，頻率的降額也應考慮。

　　8、普通二極管的頻率、開關二極管工作的峰值反向電壓，變容二極管的擊穿電壓、可控硅的工作浪涌電流及正向工作電流應降額。

　　9、電子管應對其板耗功率和總柵耗功率進行降額，頻率的降額也應考慮。

　　10、繼電器的降額是觸點電流的降額，按容性負載、電感性負載及電阻性負載等不同負載性質做出不同比例的降額。對容性負載要按電路接通時峰值電流進行降額。

　　11、線圈、扼流圈、電感器、變壓器等磁性器件主要是工作電流的降額，其工作電壓也要降額。變壓器對其溫升應按絕緣等級做出限制規(guī)定。

　　12、電連接器的降額主要是工作電流的降額，其次是工作電壓的降額。降額程度根據(jù)觸件間隙大小及直流和交流電源而定。

　　13、開關的降額主要是開關功率和觸點電流的降額。