一、概述

　　降額設(shè)計(jì)就是使元器件或產(chǎn)品工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷虍a(chǎn)品規(guī)定的額定值，從而達(dá)到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。20世紀(jì)50年代，日本的色摩亮次發(fā)現(xiàn)，溫度降低10℃，元器件的失效率可降低一半以上。實(shí)踐證明，對(duì)元器件的某些參數(shù)適當(dāng)降額使用，就可以大幅度提高元器件的可靠性。因電子產(chǎn)品的可靠性對(duì)其電應(yīng)力和溫度應(yīng)力比較敏感，故而降額設(shè)計(jì)技術(shù)和熱設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品則顯得尤為重要。它是可靠性設(shè)計(jì)中必不可少的組成部分。下面介紹電子元件的降額技術(shù)。

　　對(duì)于各類電子元器件，都有其最佳的降額范圍，在此范圍內(nèi)工作應(yīng)力的變化對(duì)其失效率有明顯的影響，在設(shè)計(jì)上也較容易實(shí)現(xiàn)，并且不會(huì)在產(chǎn)品體積、重量和成本方面付出過(guò)大的代價(jià)。當(dāng)然，過(guò)度的降額并無(wú)益處，會(huì)使元器件的特性發(fā)生或?qū)е略骷臄?shù)量不必要的增加或無(wú)法找到適合的元器件，反而對(duì)產(chǎn)品的正常工作和可靠性不利。

　　二、術(shù)語(yǔ)

　　1、應(yīng)力：在貯存/運(yùn)輸和工作中對(duì)于元器件產(chǎn)品的功能產(chǎn)生影響的各種外界因素，統(tǒng)稱為應(yīng)力。常遇到的有：

　　（ⅰ）電應(yīng)力：指元器件外加的電壓/電流及功率等。

　　（ⅱ）溫度應(yīng)力：指元器件所處的工作環(huán)境的溫度。

　　（ⅲ）機(jī)械應(yīng)力：指元器件所承受的直接負(fù)荷、壓力、沖擊、振動(dòng)、碰撞和跌落，等等。

　　（ⅳ）環(huán)境應(yīng)力：指元器件所處工作環(huán)境條件下除溫度外的其它外界因素，例如：灰塵、溫度、氣壓、鹽霧、腐蝕，等等。

　　（ⅴ）時(shí)間應(yīng)力：指元器件承受應(yīng)力時(shí)間的長(zhǎng)短（承受應(yīng)力時(shí)間越長(zhǎng)，越易老化或失效。）

　　2、基本失效率（λь）：指元器件在額定條件下工作時(shí)的失效率，也稱為額定失效率或通用失效率（一般由元器件制造廠產(chǎn)品目錄提供）。

　　3、失效率（λр）：指元器件在實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)下工作時(shí)的失效率，也稱為現(xiàn)場(chǎng)失效率。

　　一般λр﹥?chǔ)帅?λр ＝λьΠπī

　　4、降額系數(shù)（S）：元器件降額應(yīng)用時(shí)引入一個(gè)降額系數(shù)，其定義為：

　　降額系數(shù)定義實(shí)際上與電應(yīng)力系數(shù)的定義相同，故兩者可以通用。

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　　三、降額等級(jí)

　　在最佳降額范圍內(nèi)，一般又分3個(gè)降額等級(jí)：

　　1、Ⅰ級(jí)是最大的降額，適用于設(shè)備故障將會(huì)危及安全，導(dǎo)致任務(wù)失敗和造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失情況時(shí)的降額設(shè)計(jì)。它是保證設(shè)備可靠性所必須的最大降額。若采用比它還大的降額，不但設(shè)備的可靠性不會(huì)再增長(zhǎng)多少，而且設(shè)計(jì)上是難以接受的。

　　2、Ⅱ級(jí)降額

　　Ⅱ級(jí)降額是中等降額，適用于設(shè)備故障將會(huì)使工作任務(wù)降級(jí)和發(fā)生不合理的維修費(fèi)用情況的設(shè)備設(shè)計(jì)。這級(jí)降額仍在降低工作應(yīng)力可對(duì)設(shè)備可靠性增長(zhǎng)有明顯作用的范圍內(nèi)，它比Ⅰ級(jí)降額易于實(shí)現(xiàn)。

　　3、Ⅲ級(jí)降額

　　Ⅲ級(jí)降額是最小的降額，適用于設(shè)備故障只對(duì)任務(wù)完成有小的影響和可經(jīng)濟(jì)的修復(fù)設(shè)備的情況。這級(jí)降額可靠性增度效果最大，設(shè)計(jì)上也不會(huì)有什么困難。

　　四、降額設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例

　　1、某電子設(shè)備用質(zhì)量等級(jí)B2的硅NPN管（單）用于線性電路放大。已知此管使用在GF1環(huán)境中，使用公耗為0.28W，額定功率為0.8W，即電路中采用了降額設(shè)計(jì)，環(huán)境溫度為40℃，外加電壓（工作電壓）是額定電壓的60%，求工作失效率λр。

　　2、分析與比較

　　上例，如果不采用降額設(shè)計(jì)措施，或降額設(shè)計(jì)措施不夠，則元器件的基本失效率就會(huì)增大。現(xiàn)假定使用功耗為0.72W，額定功率為0.8W，即S=0.72/0.8=0.9，外加電壓是額定電壓的100%，即S2=ⅤCE/ⅤCEO=1，求此管的工作失效率λрl。

　　不采取降額設(shè)計(jì)措施與采取降額措施的比較，根據(jù)以上計(jì)算，得：

　　λрl/λр=4.77/0.3608=13.2

　　就是說(shuō)，上例不采取降額設(shè)計(jì)措施NPN管的工作失效率λр是采取降額設(shè)計(jì)措施NPN管工作失效率的13.2倍。因此，降額設(shè)計(jì)是很重要的，付出的代價(jià)小，而效果大，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)中容易實(shí)現(xiàn)。

　　3、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

　　某廠質(zhì)量流量計(jì)的電源前期設(shè)計(jì)，未采用降額設(shè)計(jì)，其調(diào)整管僅按計(jì)算其功耗為0.8W（在常溫20℃～25℃），選用額定功率為1W的晶體管。結(jié)果在調(diào)試時(shí)和在用戶使用中發(fā)生故障頻繁。分析其原因主要是該管額定功耗1W時(shí)的環(huán)境溫度為25℃，而實(shí)際工作時(shí)該管處于的環(huán)境溫度為60℃，此管此時(shí)實(shí)際最大功耗已達(dá)1W。經(jīng)可靠性工程師分析和建議，選用同參數(shù)2W的晶體管，這時(shí)降額系數(shù)S≌0.5。因而產(chǎn)品的故障很快得到解決。

　　五、降額設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

　　1、降低元器件在電路中所承受的應(yīng)力（一般主要指溫度應(yīng)力及電應(yīng)力）可以提高元器件的可靠性，但降額要適當(dāng)，過(guò)低的應(yīng)力有時(shí)會(huì)引起新的失效。降低應(yīng)力可以提高可靠性，但會(huì)增加重量、體積、費(fèi)用等因素，這都與設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，因而需要綜合權(quán)蘅。降額不僅考慮電路的穩(wěn)態(tài)工作情況，還要考慮到電路中可能出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)載及動(dòng)態(tài)電應(yīng)力。

　　2、電阻器和電位器的降額主要是功率降額。對(duì)于承受高壓的情況還需電壓降額。

　　3、電容器的降額主要是電壓和功耗的降額，有時(shí)工作頻率也要降額。

　　4、數(shù)字集成電路主要是對(duì)其負(fù)載降額，對(duì)其應(yīng)用頻率也要降額。

　　5、線性與混合集成電路的降額主要是工作電流或工作電壓的降額。

　　6、微波集成電路的降額主要是功率和頻率的降額。

　　7、晶體管的降額主要是工作電流、工作電壓和功耗的降額，頻率的降額也應(yīng)考慮。

　　8、普通二極管的頻率、開(kāi)關(guān)二極管工作的峰值反向電壓，變?nèi)荻O管的擊穿電壓、可控硅的工作浪涌電流及正向工作電流應(yīng)降額。

　　9、電子管應(yīng)對(duì)其板耗功率和總柵耗功率進(jìn)行降額，頻率的降額也應(yīng)考慮。

　　10、繼電器的降額是觸點(diǎn)電流的降額，按容性負(fù)載、電感性負(fù)載及電阻性負(fù)載等不同負(fù)載性質(zhì)做出不同比例的降額。對(duì)容性負(fù)載要按電路接通時(shí)峰值電流進(jìn)行降額。

　　11、線圈、扼流圈、電感器、變壓器等磁性器件主要是工作電流的降額，其工作電壓也要降額。變壓器對(duì)其溫升應(yīng)按絕緣等級(jí)做出限制規(guī)定。

　　12、電連接器的降額主要是工作電流的降額，其次是工作電壓的降額。降額程度根據(jù)觸件間隙大小及直流和交流電源而定。

　　13、開(kāi)關(guān)的降額主要是開(kāi)關(guān)功率和觸點(diǎn)電流的降額。

　　14、電纜和導(dǎo)線的降額主要是電流的降額。用于高壓電路的電纜和導(dǎo)線應(yīng)考慮工作電壓的降額。微波同軸電纜的降額主要是功耗的降額。

　　15、晶體的降額是在保證驅(qū)動(dòng)功率和工作溫度保持在規(guī)定的限值范圍內(nèi)的條件下，降低驅(qū)動(dòng)電壓。

　　16、聲表面波器件的降額主要是輸入功率的降額。

　　以上是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束后進(jìn)行可靠性壽命試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)樣機(jī)的平均無(wú)故障時(shí)間很短，基本上的故障是由元件選型定額不恰當(dāng)造成，使產(chǎn)品在惡劣環(huán)境中極易產(chǎn)生元件功能失效，從而產(chǎn)品的部分功能失效。