一、電路設計為何需要元器(qi)件降額？

  不知你是否發現過電(dian)路中(zhong)常存在的這(zhe)些(xie)情形(xing)：5V的工作(zuo)電壓卻(que)選(xuan)用16V額定電壓的(de)電解電容，電路(lu)上的(de)電阻(zu)功率(lv)使用比理(li)論(lun)計算值大幾倍、幾十倍等(deng)等(deng)，這(zhe)些(xie)情形都(dou)是電路的元(yuan)器件降額設(she)計(ji)。

  有這(zhe)樣一組可靠性(xing)試(shi)驗(yan)，同(tong)(tong)樣的(de)鋁(lv)電(dian)(dian)解(jie)電(dian)(dian)容在不同(tong)(tong)的(de)工作電(dian)(dian)壓下的(de)失效試(shi)驗(yan)，一個施加100%工作電壓，測量電容頂部外(wai)殼溫度為80度，一個施加(jia)40%工作電(dian)壓，其電(dian)容頂部外(wai)殼同樣位置溫度為(wei)40度；一般已(yi)知，如(ru)果使用溫度(du)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(yao)運用(yong)于工(gong)業場合，環境溫(wen)度可達-20～60度，對于產品(pin)自身(shen)的(de)(de)溫(wen)升需要有更(geng)加(jia)嚴格的(de)(de)要求，元器件(jian)更(geng)應(ying)進行降(jiang)額處(chu)理，否則可(ke)靠性和壽命(ming)會(hui)大大降(jiang)低(di)。另外一種情況，元件(jian)器在真實運用中它的(de)(de)參數是(shi)什么？比如常見的(de)(de)貼片陶瓷(ci)電容104/50V，材質(zhi)X7R，它的直流偏置電(dian)壓(ya)特(te)性如圖(tu)1所(suo)示，隨著工作(zuo)電(dian)壓(ya)上(shang)升，其電(dian)容量會下降(jiang)，在50V時下(xia)降(jiang)到50%，電容值從(cong)100nF變成50nF，它如(ru)果(guo)工作在50V就會與預(yu)期的設計值相差過大。

圖1

  降額設計除參考各元件(jian)器廠家(jia)的參數(shu)數(shu)據資料，還可(ke)遵循國家(jia)標(biao)準，國軍(jun)標《GJBZ35-93軍用標準元器件降額準則》，航空(kong)標準《QJ1417-1988 元器件可靠性降額準則》。降(jiang)額作為(wei)提升產品可靠性的基礎手段，已經被業界廣泛采用，理解(jie)和應用降(jiang)額首先需要先了解(jie)相關基本術語。

  降額（derating）：元(yuan)器件(jian)承(cheng)受的(de)應力低于其額定值，以達到延(yan)緩(huan)其參數(shu)退化，提高元(yuan)器件(jian)可靠性，通常用應力比(bi)和環境溫度來表示(shi)。

  額定值(zhi)（rating）：元器件(jian)允(yun)許的最大(da)使(shi)用應力值。

  應力（stress）：影(ying)響元(yuan)器件失效的電(dian)、熱(re)、機(ji)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(jiang)額因子。

    I級降(jiang)額(e)：最大的降(jiang)額(e)，元器件(jian)使用可靠性的改善(shan)最大。

    II級降額(e)：元器件使用可靠(kao)性有明顯改善(shan)。

    III級(ji)降額(e)：元器(qi)件使用(yong)可靠性的相對(dui)效(xiao)益最大，改善(shan)效(xiao)果(guo)不如(ru)I級(ji)和II級(ji)降額(e)但最易實現。

二、如何理(li)解降額

  電(dian)子元件器都(dou)是由各種物(wu)理(li)材(cai)料(liao)構成，存(cun)在一個或多個極限特性。降額就(jiu)是將元件器的材料固(gu)有特性（電、熱、機械等應力）降低使用，比(bi)如一(yi)段繩子(zi)可以承受100N的最大拉(la)力，但卻選用70N拉力使用，避(bi)免瞬間拉力過大造成繩(sheng)子崩斷，這(zhe)就是一(yi)種通俗的降額(e)思(si)想。

  真實世界的電子(zi)元(yuan)器件的應力來源還(huan)有(you)供應商、制造(zao)過程(cheng)(cheng)、生產批(pi)次、倉庫存(cun)儲、物(wu)流(liu)運輸等(deng)，提高(gao)降額等(deng)級是應對這些(xie)不(bu)確定(ding)性，增加(jia)產品可(ke)靠性的基(ji)礎辦(ban)法。比(bi)如在回流(liu)焊高(gao)溫的制造(zao)過程(cheng)(cheng)中(zhong)，元(yuan)器件本身(shen)不(bu)是單(dan)一(yi)材料，PCB板(ban)材(cai)又是另一種材(cai)料(liao)，它(ta)們(men)內部熱分布不(bu)均勻，材(cai)料(liao)的膨脹系(xi)數也(ye)不(bu)同，制(zhi)造過程會加劇元器件(jian)應力(li)問(wen)題(ti)。

  降額設計除了根據長期的工(gong)程實踐(jian)經驗，還可(ke)以參(can)考《GJBZ35-93軍用標準元器件降額準則》，標準內(nei)有相(xiang)應(ying)的(de)降(jiang)(jiang)額參數、降(jiang)(jiang)額曲線(xian)圖，只要將設計落入相(xiang)應(ying)降(jiang)(jiang)額等(deng)級(ji)范圍內(nei)即可實現降(jiang)(jiang)額，如電阻降(jiang)(jiang)額曲線(xian)圖2。

圖2

三、常用元(yuan)器件的(de)降額方法

1、電阻降額

GJBZ35-93標(biao)準里的薄膜(mo)型電阻降額準則如(ru)表1所示。

表1

公司(si)產品(pin)常用的貼片電阻0603型(xing)功率1/10W，最大工作電(dian)壓50V；0805型功率1/8W，最大工(gong)作電壓150V，工作電壓都可滿足降額條件。如果按I級(ji)降額設計，5V工作電壓，0603不(bu)能(neng)超(chao)過(guo)(guo)10mA工作電流(liu)，0805不(bu)能(neng)超(chao)過(guo)(guo)12.5mA工作電流(liu)。對(dui)于端口保(bao)護電阻，可使(shi)用(yong)1206封裝，最高工作電(dian)壓200V，提高降(jiang)額等(deng)級，對(dui)于高精度采樣電(dian)阻也應提高降(jiang)額等(deng)級降(jiang)低溫漂對(dui)精度影響。

2、電容降額

標(biao)準里(li)的固定(ding)陶(tao)瓷(ci)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(xing)、0805型(xing)額定電壓50V，大(da)于(yu)I級降額條件(jian)，X7R與C0G 材質(zhi)溫度(du)特性-55~125℃，X5R材料-55~85℃，都(dou)可滿足降(jiang)額參數。

  標準里的電解電容降額準則(ze)如表3所示。

表(biao)3

鋁電解電容不能承受低(di)溫度和低(di)氣壓，只限于地面使用。工作電壓3V或5V時，公(gong)司(si)常(chang)用的(de)鋁電(dian)解(jie)(jie)電(dian)容(rong)與鉭電(dian)容(rong)額定電(dian)壓(ya)為16V，高(gao)于I級降額條件，其它的(de)更高(gao)工(gong)作電(dian)壓(ya)，宜根據設計需求與成本考(kao)慮選擇恰(qia)當的(de)電(dian)解(jie)(jie)電(dian)容(rong)。

3、集(ji)成電路降(jiang)額(e)

集成(cheng)電(dian)路(lu)種類繁多，它(ta)們內部的電(dian)路(lu)單元很小，在(zai)導(dao)體斷面上的電(dian)流密度(du)大，可(ke)能存(cun)在(zai)高(gao)溫有源結點，高(gao)結溫是集成(cheng)電(dian)路(lu)的最大破(po)壞應力，芯(xin)片降額(e)主要手段是降低芯(xin)片結溫。可(ke)以從電(dian)壓(ya)、電(dian)流、功(gong)率、結溫這些參數(shu)來降低結溫。標準里的模擬(ni)集成(cheng)電(dian)路(lu)降額(e)準則如表4所示(shi)。

表(biao)4

以集成電路芯(xin)片器件手冊的絕對(dui)最大(da)工作(zuo)等級為參(can)數，計(ji)算(suan)上述表格(ge)的降(jiang)(jiang)額(e)條件，即可知(zhi)道芯(xin)片是否(fou)符(fu)合(he)降(jiang)(jiang)額(e)要求。結溫的降(jiang)(jiang)額(e)應該使用(yong)相應的熱(re)設計(ji)，增加(jia)導熱(re)散(san)熱(re)，用(yong)測(ce)溫槍測(ce)量實物電路的溫度分布情況然后調整設計(ji)。

四、總結(jie)

  電路元(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)(jian)降(jiang)額是一個在電路設計(ji)、電子工(gong)程實踐中(zhong)重(zhong)要且不(bu)可(ke)忽視(shi)的觀念。在實際應用中(zhong)，我們需要充分(fen)認識到各種(zhong)元(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)(jian)性(xing)能可(ke)能發生降(jiang)低的情(qing)況并了(le)解其特點，通(tong)過合理選(xuan)擇元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)、優(you)化設計(ji)和(he)實施有效措施，才可以最大程度(du)增(zeng)強電子產品穩定性和性能。