电路设计中的元件降额设计

一、概述

　　降额设计就是使元器件或产品工作时承受的工作应力适当低于元器件或产品规定的额定值，从而达到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。20世纪50年代，日本的色摩亮次发现，温度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。实践证明，对元器件的某些参数适当降额使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性。因电子产品的可靠性对其电应力和温度应力比较敏感，故而降额设计技术和热设计技术对电子产品则显得尤为重要。它是可靠性设计中必不可少的组成部分。下面介绍电子元件的降额技术。

　　对于各类电子元器件，都有其最佳的降额范围，在此范围内工作应力的变化对其失效率有明显的影响，在设计上也较容易实现，并且不会在产品体积、重量和成本方面付出过大的代价。当然，过度的降额并无益处，会使元器件的特性发生或导致元器件的数量不必要的增加或无法找到适合的元器件，反而对产品的正常工作和可靠性不利。

　　二、术语

　　1、应力：在贮存/运输和工作中对于元器件产品的功能产生影响的各种外界因素，统称为应力。常遇到的有：

　　（ⅰ）电应力：指元器件外加的电压/电流及功率等。

　　（ⅱ）温度应力：指元器件所处的工作环境的温度。

　　（ⅲ）机械应力：指元器件所承受的直接负荷、压力、冲击、振动、碰撞和跌落，等等。

　　（ⅳ）环境应力：指元器件所处工作环境条件下除温度外的其它外界因素，例如：灰尘、温度、气压、盐雾、腐蚀，等等。

　　（ⅴ）时间应力：指元器件承受应力时间的长短（承受应力时间越长，越易老化或失效。）

　　2、基本失效率（λь）：指元器件在额定条件下工作时的失效率，也称为额定失效率或通用失效率（一般由元器件制造厂产品目录提供）。

　　3、失效率（λр）：指元器件在实际运用状态下工作时的失效率，也称为现场失效率。

　　一般λр﹥λь λр ＝λьΠπī

　　4、降额系数（S）：元器件降额应用时引入一个降额系数，其定义为：

　　降额系数定义实际上与电应力系数的定义相同，故两者可以通用。

三、降额等级

　　在最佳降额范围内，一般又分3个降额等级：

　　1、Ⅰ级是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失情况时的降额设计。它是保证设备可靠性所必须的最大降额。若采用比它还大的降额，不但设备的可靠性不会再增长多少，而且设计上是难以接受的。

　　2、Ⅱ级降额

　　Ⅱ级降额是中等降额，适用于设备故障将会使工作任务降级和发生不合理的维修费用情况的设备设计。这级降额仍在降低工作应力可对设备可靠性增长有明显作用的范围内，它比Ⅰ级降额易于实现。

　　3、Ⅲ级降额

　　Ⅲ级降额是最小的降额，适用于设备故障只对任务完成有小的影响和可经济的修复设备的情况。这级降额可靠性增度效果最大，设计上也不会有什么困难。

　　四、降额设计应用举例

　　1、某电子设备用质量等级B2的硅NPN管（单）用于线性电路放大。已知此管使用在GF1环境中，使用公耗为0.28W，额定功率为0.8W，即电路中采用了降额设计，环境温度为40℃，外加电压（工作电压）是额定电压的60%，求工作失效率λр。

　　2、分析与比较

　　上例，如果不采用降额设计措施，或降额设计措施不够，则元器件的基本失效率就会增大。现假定使用功耗为0.72W，额定功率为0.8W，即S=0.72/0.8=0.9，外加电压是额定电压的100%，即S2=ⅤCE/ⅤCEO=1，求此管的工作失效率λрl。

　　不采取降额设计措施与采取降额措施的比较，根据以上计算，得：

　　λрl/λр=4.77/0.3608=13.2

　　就是说，上例不采取降额设计措施NPN管的工作失效率λр是采取降额设计措施NPN管工作失效率的13.2倍。因此，降额设计是很重要的，付出的代价小，而效果大，同时在电路设计中容易实现。

　　3、经验教训

　　某厂质量流量计的电源前期设计，未采用降额设计，其调整管仅按计算其功耗为0.8W（在常温20℃～25℃），选用额定功率为1W的晶体管。结果在调试时和在用户使用中发生故障频繁。分析其原因主要是该管额定功耗1W时的环境温度为25℃，而实际工作时该管处于的环境温度为60℃，此管此时实际最大功耗已达1W。经可靠性工程师分析和建议，选用同参数2W的晶体管，这时降额系数S≌0.5。因而产品的故障很快得到解决。

　　五、降额设计的要点

　　1、降低元器件在电路中所承受的应力（一般主要指温度应力及电应力）可以提高元器件的可靠性，但降额要适当，过低的应力有时会引起新的失效。降低应力可以提高可靠性，但会增加重量、体积、费用等因素，这都与设计参数有关，因而需要综合权蘅。降额不仅考虑电路的稳态工作情况，还要考虑到电路中可能出现的暂态过载及动态电应力。

　　2、电阻器和电位器的降额主要是功率降额。对于承受高压的情况还需电压降额。

　　3、电容器的降额主要是电压和功耗的降额，有时工作频率也要降额。

　　4、数字集成电路主要是对其负载降额，对其应用频率也要降额。

　　5、线性与混合集成电路的降额主要是工作电流或工作电压的降额。

　　6、微波集成电路的降额主要是功率和频率的降额。

　　7、晶体管的降额主要是工作电流、工作电压和功耗的降额，频率的降额也应考虑。

　　8、普通二极管的频率、开关二极管工作的峰值反向电压，变容二极管的击穿电压、可控硅的工作浪涌电流及正向工作电流应降额。

　　9、电子管应对其板耗功率和总栅耗功率进行降额，频率的降额也应考虑。

　　10、继电器的降额是触点电流的降额，按容性负载、电感性负载及电阻性负载等不同负载性质做出不同比例的降额。对容性负载要按电路接通时峰值电流进行降额。

　　11、线圈、扼流圈、电感器、变压器等磁性器件主要是工作电流的降额，其工作电压也要降额。变压器对其温升应按绝缘等级做出限制规定。

　　12、电连接器的降额主要是工作电流的降额，其次是工作电压的降额。降额程度根据触件间隙大小及直流和交流电源而定。

　　13、开关的降额主要是开关功率和触点电流的降额。

　　14、电缆和导线的降额主要是电流的降额。用于高压电路的电缆和导线应考虑工作电压的降额。微波同轴电缆的降额主要是功耗的降额。

　　15、晶体的降额是在保证驱动功率和工作温度保持在规定的限值范围内的条件下，降低驱动电压。

　　16、声表面波器件的降额主要是输入功率的降额。

　　以上是在产品设计结束后进行可靠性寿命试验中，发现样机的平均无故障时间很短，基本上的故障是由元件选型定额不恰当造成，使产品在恶劣环境中极易产生元件功能失效，从而产品的部分功能失效。