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，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(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)品主要運用于工業(yè)場合，環(huán)境溫度可達-20～60度，對于產(chǎn)品自身的溫升需要有更加嚴格的要求，元器件更應(yīng)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(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(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、機械等負載。

  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、物流運輸?shù)?，提高降額等級是應(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)長期的工程實踐經(jīng)驗，還可以參考《GJBZ35-93軍用標準元器件降額準則》，標準內(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標準里的薄膜型電阻降額準則如表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

標準里的固定陶瓷電容降額準則如表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(jù)設(shè)計需求與成本考慮選擇恰當?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，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)來降低結(jié)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(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、電子工程實踐中重要且不可忽視的觀念。在實際應(yīng)用中，我們需要充分認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，通過合理選擇元件、優(yōu)化設(shè)計和實施有效措施，才可以最大程度增強電子產(chǎn)品穩(wěn)定性和性能。