元器件降额使用指南综述

 

　　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，Ι级降额，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，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。

　　什么要降额使用元器件？因为如果元器件的工作状态不超过供应商提供的规格书上的指标。那么可以实现全寿命工作。降额使用，可以提高产品的可靠性。降额使用规则的制订，是依据差工况（worst case）来制定的。处于差工况工作的元件，是实际寿命达不到额定寿命的重要因素。差状况，就是元件工作时承受着应力的工作状况。这种情况一般由外部环境的参数比如温度、电压、开关次数、负载等条件中的一种或多种组合而成。这些应力的边界条件一般在元件的规格书中都是给出来的。

　　一个良好的设计，是应该根据差工况时，元件的设计风险来评估设计的可靠性的。风险评估同时可以确定失败的原因、潜在的风险、失败的概率、后果的严重性等。

　　要制定降额使用规范，就要进行worst case下的失败风险评估。要进行风险评估，就要建立加速实验模型。要是风险评估按照正常使用时间来做的话，等到评估完了，市场份额早就被瓜分完了。模型的准确性，将严重影响风险评估的结果。要保证模型的准确性，那又是一门大学问了。在我们这里，就定性的简单分析一下吧。

　　加速试验的加速因子，一般遵循阿累尼乌斯定律：

　　其中：

　　A   加速因子

　　Ea 活化能

　　K  波尔兹曼常数，8.63E-5 eV/K

　　T  温度

　　如果加速因子对应某个要降额条件下的值是已知的，那么可以用下面的公式来计算其他情况下的寿命。

　　其中：

　　T      温度，以摄氏度为单位

　　Tref 参考降额使用温度，以摄氏度为单位

　　tref  参考使用寿命，单位KHrs（千小时）

　　t      使用寿命，单位KHrs（千小时）

　　A     每10摄氏度加速因子

　　举个例子：一个元件在90摄氏度下的寿命是30KHrs,加速因子A约等于2每10摄氏度，那么在什么温度下，元件的寿命就变成了20KHrs呢？

　　一、集成电路

　　因为集成电路的复杂性和保密性，一般我们只能根据半导体结温来推断集成电路的可靠性了。

　　我们通常规定：

　　1,工作电压，不超过额定电压80%

　　2,输出电流，不超过额定电流75%

　　3,结温，85摄氏度，或不超过额定结温的80%

　　二、二极管

　　二极管又称晶体二极管，简称二极管（diode）；它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

　　二极管种类繁多，特性不一。故而，有通用要求，也有特别要求：

　　通用要求：

　　长期反向电压<70%~90%×VRRM（可重复反向电压）

　　峰值反向电压<90%×VRRM

　　正向平均电流<70%~90%×额定值

　　正向峰值电流<75%~85%×IFRM正向可重复峰值电流

　　对于工作结温，不同的二极管要求略有区别：

　　信号二极管< 85~150℃

　　玻璃钝化二极管< 85~150℃

　　整流二极管和快恢复、超快恢复二极管（<1000V）<85~125℃

　　整流二极管和快恢复、超快恢复二极管（≥1000V）<85~115℃

　　肖特基二极管< 85~115℃

　　稳压二极管（<0.5W）<85~125℃

　　稳压二极管（≥0.5W）<85~100℃

　　Tcase（外壳温度）≤0.8×Tjmax-2×θjc×P,2×θjc×P<15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。这里很多指标给的是个范围，因为不同的可靠性要求和成本之间有矛盾。所以给出一个相对比较注重可靠性的和一个比较注重成本的两个值供参考。下面同理。

　　三、功率MOS

　　MOS英文全称为Metal-Oxide-Semiconductor即金属-氧化物-半导体，确切的说，这个名字描述了集成电路中MOS管的结构，即：在一定结构的半导体器件上，加上二氧化硅和金属，形成栅极。从结构上说，MOS管可以分为增强型（E型）和耗尽型（D型），它们的区别在于当Vgs为0时，增强型（E型）不存在导电沟道，耗尽型（D型）存在导电沟道，原因是E型的导通电压（阈值电压）Vth>0,D型的Vth<0.MOS管形成的电路通称为MOS电路，但又有不同，PMOS逻辑电路称为PMOS电路，NMOS逻辑电路称为NMOS电路，PMOS和NMOS共同组成的逻辑电路称为CMOS集成电路，MOS和BJT组成的电路称为Bi-CMOS集成电路。由于MOS管静态功耗几乎为0,所有的功耗都集中在开关转换的过程中，因此相对BJT而言，MOS管的功耗更低。因此，在现代工业设计中，MOS管主要用于数字逻辑电路中实现开关逻辑（0、1逻辑）。

　　VGS<85%×VGSmax（栅极驱动电压）

　　ID_peak<80%×ID_M（漏极脉冲电流）

　　VDS<80~90%×额定电压

　　dV/dt<50%~90%×额定值

　　结温<85℃~80%×Tjmax（工作结温）

　　Tcase（外壳温度）≤0.8×Tjmax-2×θjc×P,2×θjc×P<15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。

　　四，三极管

　　半导体三极管又称"晶体三极管"或"晶体管".在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或N区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C,是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。晶体管促进并带来了"固态革命",进而推动了范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。

　　所有的电压指标都要限制在85%的额定值之下

　　功率损耗不超过70%~90%额定值

　　IC必须在RBSOA（反偏安全工作区）与FBSOA（正偏安全工作区）范围内降额30%（就是额定的70%）

　　结温不超过85~125℃

　　Tcase（外壳温度）≤0.75×Tjmax-2×θjc×P,2×θjc×P<15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。

　　五，电解电容

　　铝电解电容是开关电源中一个非常重要的元件。而很多开关电源的故障率偏高，都是因为对铝电解的使用不当造成的。 由于铝电解的重要性，我们对他的研究比较多，因而制定出来的规则也比较多。

　　1,Vdc+Vripple<90%×额定电压

　　2,在电容体之下，PCB正面，尽量不要有地线之外的其他走线。

　　3,纹波电流，这个问题比较复杂，因为开关电源中，纹波电流的频谱是非常丰富的，所以必须把纹波电流折算一下：

　　频率因子，供应商应该可以提供的。

　　纹波电流必须保证在供应商的额定值的70%~90%之内。

　　4,电解电容的初始容量要保证20%的裕量。同时，要保证额外的20%的容量裕量，以应对寿命快到时的容量衰减。

　　5,电解电容的寿命温度加速因子为2每10℃，也就是说，温度每升高10度，寿命减半。

　　6,壳温Tcase受限于设计寿命。

　　7,自温升<5℃，所谓自温升，是指电容实际工作时，完全因为自身发热导致的温升。

　　六，瓷片电容

　　工作电压<60%~90%×额定电压

　　表面温度<105℃

　　自温升<15℃或由规格书定义，以低的为准。

　　七，薄膜电容

　　1,在开关电源中，不要使用聚苯乙烯电容，因为聚苯乙烯电容耐热比较差。

　　2,表面温度<85℃，超过85℃耐压按照下图降额使用。此处的电压指的是直流电压叠加交流峰值电压。

　　3,聚酯电容自温升<8℃或由规格书定义，以低的为准

　　4,聚丙烯电容自温升<5℃或由规格书定义，以低的为准

　　5,薄膜电容的使用寿命取决于电压值和电压脉冲的上升速率。允许的脉冲数量和电压值以及脉冲斜率的关系，如下式

　　其中：

　　Npulse为脉冲总数

　　Vr,max额定直流电压

　　Vapplied实际使用峰峰值电压

　　（dv/dt）max额定脉冲斜率

　　（dv/dt）applied实际使用脉冲斜率

　　八，电阻

　　电阻可以分为三大类：固定线性电阻、固定非线性电阻、可变电阻

　　固定线性电阻包括：碳膜、金属膜、金属氧化膜、金属釉、碳质等电阻和绕线电阻。

　　固定非线性电阻包括：NTC、PTC

　　电阻的可靠性主要取决于电阻的温度，而温度则是环境温度和自身功率损耗产生热量后叠加的效果。

　　功率和电压都对电阻的选择与使用产生限制：

　　从图中可以知道，对于阻值低于临界阻值的电阻，使用是受功率限制，而对于高于临界阻值的电阻，使用上是受耐压的限制。

　　对于单个脉冲的功率限制，取决于脉冲的形状。同时脉冲的峰值电压必须不能超过额定限制。

　　电阻的降额使用规则：

　　1,在有瞬间高压脉冲的电路中使用金属釉电阻

　　2,在有大的冲击电流的场合使用绕线电阻

　　3,连续功率<50%×额定功率

　　4,不要使用>1MΩ的碳膜电阻，因为长期稳定性太差

　　5,高阻值长期稳定性好的电阻应采用金属釉电阻

　　6,在热冲击试验后，电阻的阻值必须在±5%的额定范围内

　　7,可熔断电阻，比如保险丝电阻，不要靠PCB太近，以免PCB过热

　　8,尽量不要将矩形的贴片电阻用在ESD保护电路，因为矩形的尖角容易放电

　　9,在电压、电流采样时，如果用贴片电阻，尽量使用尺寸在1206以上的。

　　10,耐压的降额使用：

　　对于碳膜、金属膜、金属氧化膜电阻：

　　R>100K时，VRMS<50%×额定连续工作电压

　　R≤100K时，VRMS<90%×额定连续工作电压或90%×（P×R）0.5,以低的为准。

　　对于碳质电阻、金属釉电阻和绕线电阻：

　　VRMS<90%×额定连续工作电压或90%×（P×R）0.5,以低的为准。

　　11,电路中有冲击电流的时候的瞬时功率可以按照下面的经验公式计算：

　　P=I2×R×t/4,其中，t是电流跌落到值38%时的时间。

　　九，磁性元件

　　磁性元件中，线对线之间的电压不能超过下表：

　　将AWG线规可以按照此式转换为mm单位线径：d=25.4×0.005×92（（36-AWG）/39）

　　漆包线的使用寿命加速因子约为2.5每10℃。

　　线包的温度降额规定：

　　CLASS B:95℃~110℃  注：额定温度是130℃

　　CLASS F:110℃~125℃  注：额定温度是155℃

　　CLASS H:125℃~150℃  注：额定温度是180℃

　　磁芯的降额规定：

　　Bmax<80%×Bsat 在任何条件下。Bsat是磁芯的饱和磁感应强度

　　TCORE<70%×Tcurie-10℃     Tcurie是磁芯居里点温度

　　十，金属氧化物压敏电阻MOV

　　Tcase ≤85℃，在任何条件下

　　具体选型推荐为：

　　AC120V/127V    选用150Vrms

　　AC220V      选用275Vrms（此项尚存争议）

　　AC277V      选用320Vrms

　　AC347V      选用420Vrms

　　十一，印刷电路板

　　PCB材料和可用表面温度如下：

　　FR2  75℃

　　FR3  90℃

　　FR4  125℃

　　CEM1  125℃

　　CEM3  125℃

　　此外，有以下一些规则：

　　可以使用过孔帮助散热

　　每个过孔流过电流不超过2A

　　布线之间的间距与电压的关系参考UL935

　　FR1的导热率是FR4的两倍，但FR1不适合做双面板

　　十二，保险丝

　　对保险丝的降额使用，是对电路保护可靠性和保险丝使用寿命之间的妥协。降额使用保险丝，并不能直接带来产品可靠性的提升。环境温度和电流是影响保险丝寿命的主要因素。在25℃下，保险丝的电流应该降额25%使用。在环境温度升高时，慢熔断的保险丝，要按照0.5%/℃来增加降额。而快融断保险丝则按照0.1%/℃来增加降额。

　　十三，光耦

　　工作电压<70%~90%×额定电压

　　工作电流<25%~90%×额定电流

　　电流传输比，按照产品寿命时间，保留20%裕量

　　结温<85℃~100℃

　　降额使用是个经验性的东西，上述文章可能有同大家不一样的地方，但初衷都是为了将电源的质量提高上去，如能对您有所帮助，是我此次的收获。