一、電路設(shè)計(jì)為何需要元器件降額？

  不知你是否發(fā)現(xiàn)過(guò)電路中常存在的這些情形：5V的工作電壓卻選用16V額定電壓的電解電容，電路上的電阻功率使用比理論計(jì)算值大幾倍、幾十倍等等，這些情形都是電路的元器件降額設(shè)計(jì)。

  有這樣一組可靠性試驗(yàn)，同樣的鋁電解電容在不同的工作電壓下的失效試驗(yàn)，一個(gè)施加100%工作電壓，測(cè)量電容頂部外殼溫度為80度，一個(gè)施加40%工作電壓，其電容頂部外殼同樣位置溫度為40度；一般已知，如果使用溫度升高10℃，產(chǎn)品的壽命就會(huì)減少1/2，即“10℃下降2倍定律”。百特公司產(chǎn)品主要運(yùn)用于工業(yè)場(chǎng)合，環(huán)境溫度可達(dá)-20～60度，對(duì)于產(chǎn)品自身的溫升需要有更加嚴(yán)格的要求，元器件更應(yīng)進(jìn)行降額處理，否則可靠性和壽命會(huì)大大降低。另外一種情況，元件器在真實(shí)運(yùn)用中它的參數(shù)是什么？比如常見的貼片陶瓷電容104/50V，材質(zhì)X7R，它的直流偏置電壓特性如圖1所示，隨著工作電壓上升，其電容量會(huì)下降，在50V時(shí)下降到50%，電容值從100nF變成50nF，它如果工作在50V就會(huì)與預(yù)期的設(shè)計(jì)值相差過(guò)大。

圖1

  降額設(shè)計(jì)除參考各元件器廠家的參數(shù)數(shù)據(jù)資料，還可遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)軍標(biāo)《GJBZ35-93軍用標(biāo)準(zhǔn)元器件降額準(zhǔn)則》，航空標(biāo)準(zhǔn)《QJ1417-1988 元器件可靠性降額準(zhǔn)則》。降額作為提升產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)手段，已經(jīng)被業(yè)界廣泛采用，理解和應(yīng)用降額首先需要先了解相關(guān)基本術(shù)語(yǔ)。

  降額（derating）：元器件承受的應(yīng)力低于其額定值，以達(dá)到延緩其參數(shù)退化，提高元器件可靠性，通常用應(yīng)力比和環(huán)境溫度來(lái)表示。

  額定值（rating）：元器件允許的最大使用應(yīng)力值。

  應(yīng)力（stress）：影響元器件失效的電、熱、機(jī)械等負(fù)載。

  應(yīng)力比 （stress ratio）：元器件工作應(yīng)力與額定應(yīng)力之比，又稱降額因子。

    I級(jí)降額：最大的降額，元器件使用可靠性的改善最大。

    II級(jí)降額：元器件使用可靠性有明顯改善。

    III級(jí)降額：元器件使用可靠性的相對(duì)效益最大，改善效果不如I級(jí)和II級(jí)降額但最易實(shí)現(xiàn)。

二、如何理解降額

  電子元件器都是由各種物理材料構(gòu)成，存在一個(gè)或多個(gè)極限特性。降額就是將元件器的材料固有特性（電、熱、機(jī)械等應(yīng)力）降低使用，比如一段繩子可以承受100N的最大拉力，但卻選用70N拉力使用，避免瞬間拉力過(guò)大造成繩子崩斷，這就是一種通俗的降額思想。

  真實(shí)世界的電子元器件的應(yīng)力來(lái)源還有供應(yīng)商、制造過(guò)程、生產(chǎn)批次、倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)、物流運(yùn)輸?shù)?，提高降額等級(jí)是應(yīng)對(duì)這些不確定性，增加產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)辦法。比如在回流焊高溫的制造過(guò)程中，元器件本身不是單一材料，PCB板材又是另一種材料，它們內(nèi)部熱分布不均勻，材料的膨脹系數(shù)也不同，制造過(guò)程會(huì)加劇元器件應(yīng)力問(wèn)題。

  降額設(shè)計(jì)除了根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還可以參考《GJBZ35-93軍用標(biāo)準(zhǔn)元器件降額準(zhǔn)則》，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)有相應(yīng)的降額參數(shù)、降額曲線圖，只要將設(shè)計(jì)落入相應(yīng)降額等級(jí)范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)降額，如電阻降額曲線圖2。

圖2

三、常用元器件的降額方法

1、電阻降額

GJBZ35-93標(biāo)準(zhǔn)里的薄膜型電阻降額準(zhǔn)則如表1所示。

表1

公司產(chǎn)品常用的貼片電阻0603型功率1/10W，最大工作電壓50V；0805型功率1/8W，最大工作電壓150V，工作電壓都可滿足降額條件。如果按I級(jí)降額設(shè)計(jì)，5V工作電壓，0603不能超過(guò)10mA工作電流，0805不能超過(guò)12.5mA工作電流。對(duì)于端口保護(hù)電阻，可使用1206封裝，最高工作電壓200V，提高降額等級(jí)，對(duì)于高精度采樣電阻也應(yīng)提高降額等級(jí)降低溫漂對(duì)精度影響。

2、電容降額

標(biāo)準(zhǔn)里的固定陶瓷電容降額準(zhǔn)則如表2所示。

表2

公司產(chǎn)品常用貼片電容（MLCC）0603型、0805型額定電壓50V，大于I級(jí)降額條件，X7R與C0G 材質(zhì)溫度特性-55~125℃，X5R材料-55~85℃，都可滿足降額參數(shù)。

  標(biāo)準(zhǔn)里的電解電容降額準(zhǔn)則如表3所示。

表3

鋁電解電容不能承受低溫度和低氣壓，只限于地面使用。工作電壓3V或5V時(shí)，公司常用的鋁電解電容與鉭電容額定電壓為16V，高于I級(jí)降額條件，其它的更高工作電壓，宜根據(jù)設(shè)計(jì)需求與成本考慮選擇恰當(dāng)?shù)碾娊怆娙荨?/span>

3、集成電路降額

集成電路種類繁多，它們內(nèi)部的電路單元很小，在導(dǎo)體斷面上的電流密度大，可能存在高溫有源結(jié)點(diǎn)，高結(jié)溫是集成電路的最大破壞應(yīng)力，芯片降額主要手段是降低芯片結(jié)溫。可以從電壓、電流、功率、結(jié)溫這些參數(shù)來(lái)降低結(jié)溫。標(biāo)準(zhǔn)里的模擬集成電路降額準(zhǔn)則如表4所示。

表4

以集成電路芯片器件手冊(cè)的絕對(duì)最大工作等級(jí)為參數(shù)，計(jì)算上述表格的降額條件，即可知道芯片是否符合降額要求。結(jié)溫的降額應(yīng)該使用相應(yīng)的熱設(shè)計(jì)，增加導(dǎo)熱散熱，用測(cè)溫槍測(cè)量實(shí)物電路的溫度分布情況然后調(diào)整設(shè)計(jì)。

四、總結(jié)

  電路元器件降額是一個(gè)在電路設(shè)計(jì)、電子工程實(shí)踐中重要且不可忽視的觀念。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要充分認(rèn)識(shí)到各種元器件性能可能發(fā)生降低的情況并了解其特點(diǎn)，通過(guò)合理選擇元件、優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)施有效措施，才可以最大程度增強(qiáng)電子產(chǎn)品穩(wěn)定性和性能。