電路元器件的降額設(shè)計
一、電路設(shè)計為何需要元器件降額？
不知你是否發(fā)現(xiàn)過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。
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)，一個施加100%工作電壓，測量電容頂部外殼溫度為80度，一個施加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)場合，環(huán)境溫度可達(dá)-20～60度，對于產(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，其電容量會下降，在50V時下降到50%，電容值從100nF變成50nF，它如果工作在50V就會與預(yù)期的設(shè)計值相差過大。
圖1
降額設(shè)計除參考各元件器廠家的參數(shù)數(shù)據(jù)資料，還可遵循國家標(biāo)準(zhǔn)，國軍標(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。
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級降額：最大的降額，元器件使用可靠性的改善最大。
II級降額：元器件使用可靠性有明顯改善。
III級降額：元器件使用可靠性的相對效益最大，改善效果不如I級和II級降額但最易實(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，存在一個或多個極限特性。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)力來源還有供應(yīng)商、制造過程、生產(chǎn)批次、倉庫存儲、物流運(yùn)輸?shù)龋岣呓殿~等級是應(yīng)對這些不確定性，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，制造過程會加劇元器件應(yīng)力問題。
降額設(shè)計除了根據(jù)長期的工程實(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)計落入相應(yīng)降額等級范圍內(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。
降額參數(shù) | 降額 | ||
I | II | III | |
電壓 | 0.75 | 0.75 | 0.75 |
功率 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
環(huán)境溫度 | 按元件負(fù)荷特性曲線降額 | ||
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級降額設(shè)計，5V工作電壓，0603不能超過10mA工作電流，0805不能超過12.5mA工作電流。對于端口保護(hù)電阻，可使用1206封裝，最高工作電壓200V，提高降額等級，對于高精度采樣電阻也應(yīng)提高降額等級降低溫漂對精度影響。
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。
降額參數(shù) | 降額 | ||
I | II | III | |
直流工作電壓 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
環(huán)境溫度 | TAM-10 （TAM元件最高環(huán)境溫度） | ||
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。
降額參數(shù) | 降額 | |||
I | II | III | ||
鋁電解 | 直流工作電壓 | - | - | 0.75 |
環(huán)境溫度 | - | - | TAM-20 | |
鉭電解 | 直流工作電壓 | 0.5 | 0.6 | 0.7 |
環(huán)境溫度 | TAM-20 | |||
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，公司常用的鋁電解電容與鉭電容額定電壓為16V，高于I級降額條件，其它的更高工作電壓，宜根據(jù)設(shè)計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?？梢詮碾妷骸㈦娏?、功率、結(jié)溫這些參數(shù)來降低結(jié)溫。標(biāo)準(zhǔn)里的模擬集成電路降額準(zhǔn)則如表4所示。
降額 參數(shù) | 放大器 | 比較器 | 電壓調(diào)整器 | 模擬開關(guān) | ||||||||
降額等級 | 降額等級 | 降額等級 | 降額等級 | |||||||||
I | II | III | I | II | III | I | II | III | I | II | III | |
電源 電壓 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.8 | 0.85 |
輸入 電壓 | 0.6 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.85 | 0.9 |
輸入輸出電壓差 | - | - | - | - | - | - | 0.7 | 0.8 | 0.85 | - | - | - |
輸出 電流 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.8 | 0.8 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.75 | 0.8 | 0.85 |
功率 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.7 | 0.75 | 0.8 |
最高 結(jié)溫 | 80 | 95 | 105 | 80 | 95 | 105 | 80 | 95 | 105 | 80 | 95 | 105 |
表4
以集成電路芯片器件手冊的絕對最大工作等級為參數(shù)，計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，增加導(dǎo)熱散熱，用測溫槍測量實(shí)物電路的溫度分布情況然后調(diào)整設(shè)計。
四、總結(jié)
電路元器件降額是一個在電路設(shè)計、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)，通過合理選擇元件、優(yōu)化設(shè)計和實(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。
