《嵌入式系统可靠性设计技术及案例解析》读书笔记（三）

1、概念：

降额是使得元器件使用中所承受的应力低于其额定值，以达到延缓其参数退化、提高使用可靠性的目的。

在电子设计中通过设计避免激发器件缺陷、通过测试发现安全隐患、降额设计是提升可靠性的三种基础手段。

　　降额设计中的常见错误：

　　1）、降额参数选择不对，该降的没有降或降不够；比如功率器件的结温是关键，而非电压。

　　　　备注：结温：是处于电子设备中实际半导体芯片（晶圆、裸片）的中PN结的工作温度

　　2）、同一个嵌入式系统中，各组成器件的降额不协调；如单纯对功率器件降额，则薄膜电阻和绕线电位器不一样；

　　3）、一个系统的不同部分，根据安全性、可靠性、重要程度设定不同的等级。

　　4）、可调器件降额幅度应大于定值器件；

　　5）、金属导线单根与多匝使用时的降额因子不同；

　　6）、对开关器件，在带不同的负载时降额幅度不同。比如继电器的触点电流在带点感性负载时取三级降额；

　　7）、同类特性但不同生产工艺的器件，对同一指标的降额因子不同，如钽电解电容、铝电解电容不同；

　　8）、对大规模IC和高集成度器件，主要降额参数为结温；

　　9）、器件负载特性曲线与降额的关系不容忽视；

　　基本定义：

　　额定值：元器件允许使用的最大应力值；

　　应力：影响元器件失效率的电、热、机械、环境条件等负载；

　　降额因子：元器件工作应力与额定应力之比；

2. 电阻降额：

　　2.1 案例：

　　某电阻200千欧，两端电压140V；考虑0.75的降额因子，需要有186V的电压，因此采用两个100千欧串联；

　　2.2 定值电阻降额：

　　例如：薄膜电阻、合成电阻等，降额参数（电压、电阻）和降额因子（0.75 ～　０.５）

　　2.3 电位器降额：

　　例如：非绕线电位器，降额参数（电压、功率、环境温度等）和降额因子（0。3 ~ 0.75）

　　2.4 热敏电阻降额：

　　例如：降额参数（功率、环境温度）和降额因子

3. 电容降额：

　　Vr > (Vdc + Vac)/k

　　Vr 为额定电压 Vdc为直流电流电压 Vac为交流电流电压 k为降额因子

　　在高频电路中：

　　I = K / 4√f

　　I为电流 f为频率 K为系数

　　3.1 案例 ：一个1uf 两端电压为48V，此时48/额定系数，则额定电压应大于68V，根据实际选择两个2.2 uf的电容串联

　　3.2 包括固定电容降额，电解电容降额，可调电容器降额

　　备注：对于有极性的电容，交流分值应小于直流分量；

4、集成电路降额：

　　集成电路芯片的电路单元小，导体断面上的电流密度大，因此在有源节点上会存在高温，成为结温。高结温是对IC的最大破坏性应力。

　　1）中小规模的集成电路降温主要参数是电压、电流、功率以及结温；
　　2）大规模集成电路的主要降额参数是结温；

　　4.1 模拟集成电路降额：

　　　　1) 放大器降额：针对电源电压、输入电压、输出电流、功率、最高结温；
　　　　2）比较器降额：针对电源电压、输入电压、输出电流、功率、最高结温；
　　　　3）电压调整器：针对电源电压、输入电压、输入输出电压差、输出电流、功率、最高结温；
　　　　4）模拟开关降额：针对电源电压、输入电压、输出电流、功率、最高结温；

　　4.2 数字电路降额：

　　　　1）双极性数字IC：针对频率、输出电流
　　　　2）MOS型数字电路：电源电压、频率、输出电流、最高结温；

　　4.3 大规模集成电路：

　　　　大规模集成电路由于其功能和结构的特点，内部参数通常允许的变化范围很小、因此其降额应重于改进封装和散热方式，以降低器件的结温；

5 分立半导体元件降额

　　5.1 晶体管：

　　所有晶体管的降额都包括电压、电流和功率，但对MOS型场效应晶体管、功率晶体管和微波晶体管的降额有特殊要求：

　　　　1）高温是对晶体管破坏最强的应力，因此晶体管的工号和结温必须进行降额；
　　　　2）电压击穿是导致晶体管失效的主要原因，因此电压必须降额；
　　　　3）功率晶体管有二次击穿的现象，因此要对安全工作区进行降额：

　　5.2 二极管：

　　高温是对二极管破坏最强的应力，所以二极管的功率和结温必须降额，电压击穿也是另一主要因素，因此二极管的电压也必须降额；

　　5.3 可控硅：

　　备注：可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。其降额工作包括：

　　　　1）高温是对可控硅破坏性最强的应力，所以可控硅的额定平均通态电流和结温必须降额；
　　　　2）电压击穿可导致失效，因此电压必须降额；
　　　　3）控制极-阳极间点位不可低于额定值；
　　　　4）保证断态电压与瞬态电压最大值之否则会突发不应用的导通；

　　　　5.4 半导体发光器件：

　　包括发光器件、光敏器件、发光与光敏组合器件。

　　高结温和节点高电压是半导体发光电器件主要的破坏性应力，结温受节点电流或功率的影响，所以其结温、电流或功率均需要降额。

6、电感降额：降流参数包括热点温度、工作电流、瞬态电压电流、介质耐压、扼流圈工作电压；

7、继电器降额：

　　1）继电器降额的主要参数是连续触点电流、线圈工作电压、线圈吸合/释放电压、振动和温度。
　　2）禁止采用继电器并联的方式增加电流量，因为触点在瞬间不同时通断；
　　3）电感、电容和白炽灯开关瞬间，瞬态脉冲电流可比稳态电流大十倍；
　　4）继电器吸合、释放瞬间时触点电弧会造成金属迁移氧化，应增加销弧电路；
　　5）环境温度升高会造成线圈电阻加大；

8、开关降额：开关降额主要是触点电流、电压和功率；

9、连接器降额

　　电连接器包括普通、印刷线路板等，影响其可靠性的因素有插孔材料、接点电流、有源接点数目、插拔次数、工作环境等。电连接器的降额主要参数有工作电压、工作电流和温度；

10、导线与电缆降额

　　影响导线和电缆可靠性的主要因素是导线间的绝缘和电流引起的升温，因此降额的主要参数是应用电压；

11、保险丝降额：

　　1）电路电压不得超过额定工作电压，以防止短路时产生的电弧；
　　2）环境温度的变化会造成保险丝的额定电流值变化，通常随着温度的升高，保险丝的额定电流会降低；
　　3）强震动和冲击可能使得保险丝断路；

12 晶体降额

　　1）高温环境易影响晶体的频率和稳定性；
　　2）冲击和震动环境可能使得易碎的晶体破损，可能造成晶体工作频率下降；
　　3）驱动电压过高可能使得晶体承受的机械力超过它的弹性极限破碎；
　　4）晶体的驱动功率不能降额，会直接影响额定平率；

13 电机降额

　　电机降额的主要参数是温度和负载；

　　1）温度是影响电机寿命的主要因素；过高或高低都会引起失效；
　　2）潮湿和污染会使其性能下降；
　　3）电机负载和转速影响其效率和工作寿命。过载或低速运转可能在绕组中产生高温和轴承过载；