降额设计.doc

在电子产品设计阶段，避免器件功能应用缺陷、测试、降额是提升可靠性的三个基础手段。第三个的降额是本文描述的主题。降额是使元器件使用中所承受的应力低于其额定值，以达到延缓参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。用比较好理解的一个比喻，一个能背100斤走路的人，让他背30斤赶路就比让他背100斤走路走的时间长，距离长，路上遇到沟沟坎坎，背30斤就能跳着走，背100斤就走的磕磕绊绊，容易摔倒。器件同理。降额设计有两大问题，一是分级，二是选择降额的参数。降额分三个等级，级降额最大，适用于故障危及安全、导致任务失败和造成重大经济损失的情况；II级降额居中，适用于故障使任务降级和增加不合理的维修费用；III级降额最小，适用于故障对任务完成影响很小和少量的维修。降额考虑的主要因素是电应力和温度，电应力我们考虑得多，温度也经常被考虑到，但隐性温度条件常被忽视，比如环境温度是40，机箱内散热不好温度肯定会上升，设备周边如果有设备，工作时也会发热，也会导致温度上升，这部分就是隐性温度条件，也是不能不考虑降额的参考条件。（见文末的备注1案例）降额等级的分类为系统设计和设计管理提供了思路，在项目设计开始，对系统整机的降额系数、各部分组成，确定出适宜的降额等级，然后根据相关标准查找对应的降额系数，因为有些特定行业的设计要求有其特殊要求，可以根据专标要求确定，如果没有专门要求的，推荐参考GJB/Z 35-93元器件降额准则标准，关键部件、易坏部件的降额系数一定要给出一个明确的参考值来。（见文末的备注2：降额系数的确定），特别注意电容的降额曲线和运放的降额曲线不一样，注意分析其含义。降额的参数要选取一般是电应力和热应力，对机械件还有力矩等，应力大小直接影响失效率的高低，而且不一定就只是主要性能指标才需要降额，要结合使用条件环境进行分析，确定哪个指标是受应力条件影响大的。比如220V输入端的对地电容，耐压是一个降额的指标，另一个与安全有关的漏电流指标也很有必要考虑进去。1、降额要考虑电路稳态工作、暂态过载、动态电应力几种条件下的应力；2、电阻类主要是功率降额，对高压应用环境还需电压降额；3、电容类主要是电压和功耗降额，有时考虑工作频率降额；4、数字IC对其负载、应用频率降额；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IC主要是功率和频率的降额；7、晶体管是工作电流、工作电压、功耗、频率的降额；8、普通二极管频率降额、开关二极管的工作峰值反向电压，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降额；9、继电器触点电流的降额，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；10、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；11、开关的降额主要是开关功率和触点电流的降额。 12、电缆和导线是电流降额。高压电路的电缆和导线是工作电压的降额；13、晶体是驱动电压降额（保证功率前提下）； 但也有两个注意事项，不是降额越多越好，各类元器件均有一个最佳降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大，较小的投入即可见到较大的可靠性收益，再继续降额，可靠性的提高很微小没必要。就像文章开头的例子，能背100斤的人，背个3、5斤和背20、30斤是没啥区别的，背得少效率会很低，而且慢慢能力会退化，突然的大应力来一下的时候，反而抗应力能力不强。大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数参数稳定性会降低。也不是什么指标都允许降额，继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触。 降额作为与器件功能应用技术、测试技术并列的基础可靠性设计手段，是最简单易行的，而且降额后，即使电路设计有些许缺陷，因为余量较大，器件的耐受力空间足够，也能避免些故障，况且又不用特殊的试验仪器，只是在选定某一器件后，附加一点功夫，挑挑该系列中，选个余量稍大的，即能解决不少问题，我们为什么不去做呢？ 备注1：案例某低压电器控制器产品，应用环境的温度会上升到70多度，机箱内会更高一点，但用的器件是商业级的（商业级070、工业级-4085、汽车级-40120、军工级-55150），年轻工程师选器件时大都看重外观的pcb安装形式，容易忽视其它信息的标识内容，如：ATmega128L16AC，“L”表示电压工作范围2.7-5.5V，“16”表示最高16M系统时钟，“A”表示TQFP封装；“C”代表商业级，若为“U”则表示工业级无铅，“I”代表工业级含铅。这个标识就与降额直接相关。在做设计时，物料选型要注意这几点；在文件归档时，要在外购件规格书上，检验细则标明注意检查这一点；在采购时则要注意鉴别这些标识。 备注2：降额系数的确定电容器降额曲线（图1） 固定陶瓷电容器降额系数 降额参数降 额 等 级直流工作电压0.500.600.70环境温度TAM10（TAM为最高额定环境温度，由元件相关详细规范确定） 模拟运放器件降额曲线（图2） 模拟运放器件降额系数降额参数降 额 等 级电源电压0.700.800.80输入电压0.600.700.70输出电流0.700.800.80功 率0.700.750.80最高结温8095105 备注3：降额系数S降额系数S=工作应力 /额定应力备注4：常见应力电应力：元器件外加的电压、电流及功率等；温度应力：指元器件所处的工作环境的温度；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；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；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）。 备注