電路元器件的降額設計

一、電路設計為何需要元器件降額？

  不知你是否發現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計。

  有這樣一組可靠性試驗，同樣的鋁電解電容在不同的工作電壓下的失效試驗，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℃，產品的壽命就會減少1/2，即“10℃下降2倍定律”。百特公司產品主要運用于工業場合，環境溫度可達-20～60度，對于產品自身的溫升需要有更加嚴格的要求，元器件更應進行降額處理，否則可靠性和壽命會大大降低。另外一種情況，元件器在真實運用中它的參數是什么？比如常見的貼片陶瓷電容104/50V，材質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就會與預期的設計值相差過大。

圖1

  降額設計除參考各元件器廠家的參數數據資料，還可遵循國家標準，國軍標《GJBZ35-93軍用標準元器件降額準則》，航空標準《QJ1417-1988 元器件可靠性降額準則》。降額作為提升產品可靠性的基礎手段，已經被業界廣泛采用，理解和應用降額首先需要先了解相關基本術語。

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

  額定值（rating）：元器件允許的最大使用應力值。

  應力（stress）：影響元器件失效的電、熱、機械等負載。

  應力比 （stress ratio）：元器件工作應力與額定應力之比，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級降額但最易實現。

二、如何理解降額

  電子元件器都是由各種物理材料構成，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、機械等應力）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。

  真實世界的電子元器件的應力來源還有供應商、制造過程、生產批次、倉庫存儲、物流運輸等，提高降額等級是應對這些不確定性，增加產品可靠性的基礎辦法。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，它們內部熱分布不均勻，材料的膨脹系數也不同，制造過程會加劇元器件應力問題。

  降額設計除了根據長期的工程實踐經驗，還可以參考《GJBZ35-93軍用標準元器件降額準則》，標準內有相應的降額參數、降額曲線圖，只要將設計落入相應降額等級范圍內即可實現降額，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標準里的薄膜型電阻降額準則如表1所示。

表1

公司產品常用的貼片電阻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提高降額等級降低溫漂對精度影響。

2、電容降額

標準里的固定陶瓷電容降額準則如表2所示。

表2

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

  標準里的電解電容降額準則如表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，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，宜根據設計需求與成本考慮選擇恰當的電解電容。

3、集成電路降額

集成電路種類繁多，它們內部的電路單元很小，在導體斷面上的電流密度大，可能存在高溫有源結點，高結溫是集成電路的最大破壞應力，芯片降額主要手段是降低芯片結溫。可以從電壓、電流、功率、結溫這些參數來降低結溫。標準里的模擬集成電路降額準則如表4所示。

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，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。結溫的降額應該使用相應的熱設計，增加導熱散熱，用測溫槍測量實物電路的溫度分布情況然后調整設計。

四、總結

  電路元器件降額是一個在電路設計、電子工程實踐中重要且不可忽視的觀念。在實際應用中，我們需要充分認識到各種元器件性能可能發生降低的情況并了解其特點，通過合理選擇元件、優化設計和實施有效措施，才可以最大程度增強電子產品穩定性和性能。