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於工業場合
，環境溫度可達-20～60du，duiyuchanpinzishendewenshengxuyaoyougengjiayangedeyaoqiu，yuanqijiangengyingjinxingjiangechuli，fouzekekaoxingheshouminghuidadajiangdi。lingwaiyizhongqingkuang

，yuanjianqizaizhenshiyunyongzhongtadecanshushishenme？biruchangjiandetiepiantaocidianrong104/50V，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於其額定值
，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
、製造過程、生產批次、倉庫存儲、物wu流liu運yun輸shu等deng


，提ti高gao降jiang額e等deng級ji是shi應ying對dui這zhe些xie不bu確que定ding性xing，增zeng加jia產chan品pin可ke靠kao性xing的de基ji礎chu辦ban法fa。比bi如ru在zai回hui流liu焊han高gao溫wen的de製zhi造zao過guo程cheng中zhong
，元yuan器qi件jian本ben身shen不bu是shi單dan一yi材cai料liao，PCB板材又是另一種材料
，它們內部熱分布不均勻，材料的膨脹係數也不同，製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，隻要將設計落入相應降額等級範圍內即可實現降額
，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標準裏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。對於端口保護電阻，可使用1206封裝，最高工作電壓200V，提高降額等級，對於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

標準裏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
，大於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。

  標準裏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
，隻限於地麵使用。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，高於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ji成cheng電dian路lu種zhong類lei繁fan多duo，它ta們men內nei部bu的de電dian路lu單dan元yuan很hen小xiao，在zai導dao體ti斷duan麵mian上shang的de電dian流liu密mi度du大da，可ke能neng存cun在zai高gao溫wen有you源yuan結jie點dian，高gao結jie溫wen是shi集ji成cheng電dian路lu的de最zui大da破po壞huai應ying力li，芯xin片pian降jiang額e主zhu要yao手shou段duan是shi降jiang低di芯xin片pian結jie溫wen。可ke以yi從cong電dian壓ya

、電流、功率、結溫這些參數來降低結溫。標準裏的模擬集成電路降額準則如表4所示。

表4

yijichengdianluxinpianqijianshoucedejueduizuidagongzuodengjiweicanshu，jisuanshangshubiaogedejiangetiaojian，jikezhidaoxinpianshifoufuhejiangeyaoqiu。jiewendejiangeyinggaishiyongxiangyingderesheji，zengjiadaoresanre
，yongcewenqiangceliangshiwudianludewendufenbuqingkuangranhoutiaozhengsheji。

四、總結

  電路元器件降額是一個在電路設計、電(dian)子(zi)工(gong)程(cheng)實(shi)踐(jian)中(zhong)重(zhong)要(yao)且(qie)不(bu)可(ke)忽(hu)視(shi)的(de)觀(guan)念(nian)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)充(chong)分(fen)認(ren)識(shi)到(dao)各(ge)種(zhong)元(yuan)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)降(jiang)低(di)的(de)情(qing)況(kuang)並(bing)了(le)解(jie)其(qi)特(te)點(dian)，通(tong)過(guo)合(he)理(li)選(xuan)擇(ze)元(yuan)件(jian)
、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。