元器件降額使用指南綜述

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在電子產(chǎn)品設(shè)計階段，避免器件功能應(yīng)用缺陷、測試、降額是提升可靠性的三個基礎(chǔ)手段。第三個的降額是本文描述的主題。降額是使元器件使用中所承受的應(yīng)力低于其額定值，以達到延緩參數(shù)退化，增加工作壽命，提高使用可靠性的目的。用比較好理解的一個比喻，一個能背100斤走路的人，讓他背30斤趕路就比讓他背100斤走路走的時間長，距離長，路上遇到溝溝坎坎，背30斤就能跳著走，背100斤就走的磕磕絆絆，容易摔倒。器件同理。降額設(shè)計有兩大問題，一是分級，二是選擇降額的參數(shù)。降額分三個等級，Ι級降額，適用于故障危及安全、導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成重大經(jīng)濟損失的情況；II級降額居中，適用于故障使任務(wù)降級和增加不合理的維修費用；III級降額，適用于故障對任務(wù)完成影響很小和少量的維修。降額考慮的主要因素是電應(yīng)力和溫度，電應(yīng)力我們考慮得多，溫度也經(jīng)常被考慮到，但隱性溫度條件常被忽視，比如環(huán)境溫度是40℃，機箱內(nèi)散熱不好溫度肯定會上升，設(shè)備周邊如果有設(shè)備，工作時也會發(fā)熱，也會導(dǎo)致溫度上升，這部分就是隱性溫度條件，也是不能不考慮降額的參考條件。

什么要降額使用元器件？因為如果元器件的工作狀態(tài)不超過供應(yīng)商提供的規(guī)格書上的指標。那么可以實現(xiàn)全壽命工作。降額使用，可以提高產(chǎn)品的可靠性。降額使用規(guī)則的制訂，是依據(jù)差工況（worstcase）來制定的。處于差工況工作的元件，是實際壽命達不到額定壽命的重要因素。差狀況，就是元件工作時承受著應(yīng)力的工作狀況。這種情況一般由外部環(huán)境的參數(shù)比如溫度、電壓、開關(guān)次數(shù)、負載等條件中的一種或多種組合而成。這些應(yīng)力的邊界條件一般在元件的規(guī)格書中都是給出來的。

一個良好的設(shè)計，是應(yīng)該根據(jù)差工況時，元件的設(shè)計風險來評估設(shè)計的可靠性的。風險評估同時可以確定失敗的原因、潛在的風險、失敗的概率、后果的嚴重性等。

要制定降額使用規(guī)范，就要進行worstcase下的失敗風險評估。要進行風險評估，就要建立加速實驗?zāi)Ｐ?。要是風險評估按照正常使用時間來做的話，等到評估完了，市場份額早就被瓜分完了。模型的準確性，將嚴重影響風險評估的結(jié)果。要保證模型的準確性，那又是一門大學問了。在我們這里，就定性的簡單分析一下吧。

加速試驗的加速因子，一般遵循阿累尼烏斯定律：

其中：

A加速因子

Ea活化能

K波爾茲曼常數(shù)，8.63E-5eV/K

T溫度

如果加速因子對應(yīng)某個要降額條件下的值是已知的，那么可以用下面的公式來計算其他情況下的壽命。

其中：

T溫度，以攝氏度為單位

Tref參考降額使用溫度，以攝氏度為單位

tref參考使用壽命，單位KHrs（千小時）

t使用壽命，單位KHrs（千小時）

A每10攝氏度加速因子

舉個例子：一個元件在90攝氏度下的壽命是30KHrs,加速因子A約等于2每10攝氏度，那么在什么溫度下，元件的壽命就變成了20KHrs呢？

一、集成電路

因為集成電路的復(fù)雜性和保密性，一般我們只能根據(jù)半導(dǎo)體結(jié)溫來推斷集成電路的可靠性了。

我們通常規(guī)定：

1,工作電壓，不超過額定電壓80%

2,輸出電流，不超過額定電流75%

3,結(jié)溫，85攝氏度，或不超過額定結(jié)溫的80%

二、二極管

二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管（diode）；它只往一個方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件，具有按照外加電壓的方向，使電流流動或不流動的性質(zhì)。晶體二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。

二極管種類繁多，特性不一。故而，有通用要求，也有特別要求：

通用要求：

長期反向電壓70%~90%×VRRM（可重復(fù)反向電壓）

峰值反向電壓90%×VRRM

正向平均電流70%~90%×額定值

正向峰值電流75%~85%×IFRM正向可重復(fù)峰值電流

對于工作結(jié)溫，不同的二極管要求略有區(qū)別：

信號二極管85~150℃

玻璃鈍化二極管85~150℃

整流二極管和快恢復(fù)、超快恢復(fù)二極管（1000V）85~125℃

整流二極管和快恢復(fù)、超快恢復(fù)二極管（≥1000V）85~115℃

肖特基二極管85~115℃

穩(wěn)壓二極管（0.5W）85~125℃

穩(wěn)壓二極管（≥0.5W）85~100℃

Tcase（外殼溫度）≤0.8×Tjmax-2×θjc×P,2×θjc×P15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個可供參考的經(jīng)驗值。這里很多指標給的是個范圍，因為不同的可靠性要求和成本之間有矛盾。所以給出一個相對比較注重可靠性的和一個比較注重成本的兩個值供參考。下面同理。

三、功率MOS

MOS英文全稱為Metal-Oxide-Semiconductor即金屬-氧化物-半導(dǎo)體，確切的說，這個名字描述了集成電路中MOS管的結(jié)構(gòu)，即：在一定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件上，加上二氧化硅和金屬，形成柵極。從結(jié)構(gòu)上說，MOS管可以分為增強型（E型）和耗盡型（D型），它們的區(qū)別在于當Vgs為0時，增強型（E型）不存在導(dǎo)電溝道，耗盡型（D型）存在導(dǎo)電溝道，原因是E型的導(dǎo)通電壓（閾值電壓）Vth0,D型的Vth0.MOS管形成的電路通稱為MOS電路，但又有不同，PMOS邏輯電路稱為PMOS電路，NMOS邏輯電路稱為NMOS電路，PMOS和NMOS共同組成的邏輯電路稱為CMOS集成電路，MOS和BJT組成的電路稱為Bi-CMOS集成電路。由于MOS管靜態(tài)功耗幾乎為0,所有的功耗都集中在開關(guān)轉(zhuǎn)換的過程中，因此相對BJT而言，MOS管的功耗更低。因此，在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中，MOS管主要用于數(shù)字邏輯電路中實現(xiàn)開關(guān)邏輯（0、1邏輯）。

VGS85%×VGSmax（柵極驅(qū)動電壓）

ID_peak80%×ID_M（漏極脈沖電流）

VDS80~90%×額定電壓

dV/dt50%~90%×額定值

結(jié)溫85℃~80%×Tjmax（工作結(jié)溫）

Tcase（外殼溫度）≤0.8×Tjmax-2×θjc×P,2×θjc×P15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個可供參考的經(jīng)驗值。

四，三極管

半導(dǎo)體三極管又稱"晶體三極管"或"晶體管".在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個能相互影響的PN結(jié)，組成一個PNP（或NPN）結(jié)構(gòu)。中間的N區(qū)（或N區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C,是能起放大、振蕩或開關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。晶體管促進并帶來了"固態(tài)革命",進而推動了范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時、普遍地首先在通訊工具方面得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。由于晶體管徹底改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，集成電路以及大規(guī)模集成電路應(yīng)運而生，這樣制造像高速電子計算機之類的高精密裝置就變成了現(xiàn)實。

所有的電壓指標都要限制在85%的額定值之下

功率損耗不超過70%~90%額定值

IC必須在RBSOA（反偏安全工作區(qū)）與FBSOA（正偏安全工作區(qū)）范圍內(nèi)降額30%（就是額定的70%）

結(jié)溫不超過85~125℃

Tcase（外殼溫度）≤0.75×Tjmax-2×θjc×P,2×θjc×P15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個可供參考的經(jīng)驗值。

五，電解電容

鋁電解電容是開關(guān)電源中一個非常重要的元件。而很多開關(guān)電源的故障率偏高，都是因為對鋁電解的使用不當造成的。由于鋁電解的重要性，我們對他的研究比較多，因而制定出來的規(guī)則也比較多。

1,Vdc+Vripple90%×額定電壓

2,在電容體之下，PCB正面，盡量不要有地線之外的其他走線。

3,紋波電流，這個問題比較復(fù)雜，因為開關(guān)電源中，紋波電流的頻譜是非常豐富的，所以必須把紋波電流折算一下：

頻率因子，供應(yīng)商應(yīng)該可以提供的。

紋波電流必須保證在供應(yīng)商的額定值的70%~90%之內(nèi)。

4,電解電容的初始容量要保證20%的裕量。同時，要保證額外的20%的容量裕量，以應(yīng)對壽命快到時的容量衰減。

5,電解電容的壽命溫度加速因子為2每10℃，也就是說，溫度每升高10度，壽命減半。

6,殼溫Tcase受限于設(shè)計壽命。

7,自溫升5℃，所謂自溫升，是指電容實際工作時，完全因為自身發(fā)熱導(dǎo)致的溫升。

六，瓷片電容

工作電壓60%~90%×額定電壓

表面溫度105℃

自溫升15℃或由規(guī)格書定義，以低的為準。

七，薄膜電容

1,在開關(guān)電源中，不要使用聚苯乙烯電容，因為聚苯乙烯電容耐熱比較差。

2,表面溫度85℃，超過85℃耐壓按照下圖降額使用。此處的電壓指的是直流電壓疊加交流峰值電壓。

3,聚酯電容自溫升8℃或由規(guī)格書定義，以低的為準

4,聚丙烯電容自溫升5℃或由規(guī)格書定義，以低的為準

5,薄膜電容的使用壽命取決于電壓值和電壓脈沖的上升速率。允許的脈沖數(shù)量和電壓值以及脈沖斜率的關(guān)系，如下式

其中：

Npulse為脈沖總數(shù)

Vr,max額定直流電壓

Vapplied實際使用峰峰值電壓

（dv/dt）max額定脈沖斜率

（dv/dt）applied實際使用脈沖斜率

八，電阻

電阻可以分為三大類：固定線性電阻、固定非線性電阻、可變電阻

固定線性電阻包括：碳膜、金屬膜、金屬氧化膜、金屬釉、碳質(zhì)等電阻和繞線電阻。

固定非線性電阻包括：NTC、PTC

電阻的可靠性主要取決于電阻的溫度，而溫度則是環(huán)境溫度和自身功率損耗產(chǎn)生熱量后疊加的效果。

功率和電壓都對電阻的選擇與使用產(chǎn)生限制：

從圖中可以知道，對于阻值低于臨界阻值的電阻，使用是受功率限制，而對于高于臨界阻值的電阻，使用上是受耐壓的限制。

對于單個脈沖的功率限制，取決于脈沖的形狀。同時脈沖的峰值電壓必須不能超過額定限制。

電阻的降額使用規(guī)則：

1,在有瞬間高壓脈沖的電路中使用金屬釉電阻

2,在有大的沖擊電流的場合使用繞線電阻

3,連續(xù)功率50%×額定功率

4,不要使用1MΩ的碳膜電阻，因為長期穩(wěn)定性太差

5,高阻值長期穩(wěn)定性好的電阻應(yīng)采用金屬釉電阻

6,在熱沖擊試驗后，電阻的阻值必須在±5%的額定范圍內(nèi)

7,可熔斷電阻，比如保險絲電阻，不要靠PCB太近，以免PCB過熱

8,盡量不要將矩形的貼片電阻用在ESD保護電路，因為矩形的尖角容易放電

9,在電壓、電流采樣時，如果用貼片電阻，盡量使用尺寸在1206以上的。

10,耐壓的降額使用：

對于碳膜、金屬膜、金屬氧化膜電阻：

R100K時，VRMS50%×額定連續(xù)工作電壓

R≤100K時，VRMS90%×額定連續(xù)工作電壓或90%×（P×R）0.5,以低的為準。

對于碳質(zhì)電阻、金屬釉電阻和繞線電阻：

VRMS90%×額定連續(xù)工作電壓或90%×（P×R）0.5,以低的為準。

11,電路中有沖擊電流的時候的瞬時功率可以按照下面的經(jīng)驗公式計算：

P=I2×R×t/4,其中，t是電流跌落到值38%時的時間。

九，磁性元件

磁性元件中，線對線之間的電壓不能超過下表：

將AWG線規(guī)可以按照此式轉(zhuǎn)換為mm單位線徑：d=25.4×0.005×92（（36-AWG）/39）

漆包線的使用壽命加速因子約為2.5每10℃。

線包的溫度降額規(guī)定：

CLASSB:95℃~110℃注：額定溫度是130℃

CLASSF:110℃~125℃注：額定溫度是155℃

CLASSH:125℃~150℃注：額定溫度是180℃

磁芯的降額規(guī)定：

Bmax80%×Bsat在任何條件下。Bsat是磁芯的飽和磁感應(yīng)強度

TCORE70%×Tcurie-10℃Tcurie是磁芯居里點溫度

十，金屬氧化物壓敏電阻MOV

Tcase≤85℃，在任何條件下

具體選型推薦為：

AC120V/127V選用150Vrms

AC220V選用275Vrms（此項尚存爭議）

AC27