元器件降额使用参考

跟我学系列之二，元器件降额使用参考

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Konway 整理

为什么要降额使用元器件？因为如果元器件的工作状态不超过供应商提供的规格书上的指标。那么可以实现全寿命工作。降额使用，可以提高产品的可靠性。

降额使用规则的制订，是依据最差工况(worst case)来制定的。处于最差工况工作的元件，是实际寿命达不到额定寿命的重要因素。

最差工况，就是元件工作时承受着最大应力的工作状况。这种情况一般由外部环境的参数比如温度、电压、开关次数、负载等条件中的一种或多种组合而成。这些应力的边界条件一般在元件的规格书中都是给出来的。

一个良好的设计，是应该根据最差工况时，元件的设计风险来评估设计的可靠性的。风险评估同时可以确定失败的原因、潜在的风险、失败的概率、后果的严重性等。

要制定降额使用规范，就要进行worst case下的失败风险评估。要进行风险评估，就要建立加速实验模型。要是风险评估按照正常使用时间来做的话，等到评估完了，市场份额早就被瓜分完了。

模型的准确性，将严重影响风险评估的结果。要精确保证模型的准确性，那又是一门大学问了。在我们这里，就定性的简单分析一下吧。

加速试验的加速因子，一般遵循阿累尼乌斯定律：

其中：

A 加速因子

Ea 活化能

K 波尔兹曼常数，8.63E-5 eV/K

T 绝对温度

如果加速因子对应某个要降额条件下的值是已知的，那么可以用下面的公式来计算其他情况下的寿命：

其中：

T 温度，以摄氏度为单位

Tref 参考降额使用温度，以摄氏度为单位

tref 参考使用寿命，单位KHrs(千小时)

t 使用寿命，单位KHrs(千小时)

A 每10摄氏度加速因子

举个例子：一个元件在90摄氏度下的寿命是30KHrs，加速因子A约等于2每10摄氏度，那么在什么温度下，元件的寿命就变成了20KHrs呢？

一、集成电路

因为集成电路的复杂性和保密性，一般我们只能根据半导体结温来推断集成电路的可靠性了。

我们通常规定：

1，最大工作电压，不超过额定电压80%

2，最大输出电流，不超过额定电流75%

3，结温，最大85摄氏度，或不超过额定最高结温的80%

二、二极管

二极管种类繁多，特性不一。故而，有通用要求，也有特别要求：

通用要求：

长期反向电压<70%～90%×VRRM（最大可重复反向电压）

最大峰值反向电压<90%×VRRM

正向平均电流<70%～90%×额定值

正向峰值电流<75%～85%×IFRM正向可重复峰值电流

对于工作结温，不同的二极管要求略有区别：

信号二极管< 85～150℃

玻璃钝化二极管< 85～150℃

整流二极管和快恢复、超快恢复二极管（<1000V）<85～125℃

整流二极管和快恢复、超快恢复二极管（≥1000V）<85～115℃

肖特基二极管< 85～115℃

稳压二极管（<0.5W）<85～125℃

稳压二极管（≥0.5W）<85～100℃

Tcase(外壳温度)≤0.8×Tjmax‐2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。

这里很多指标给的是个范围，因为不同的可靠性要求和成本之间有矛盾。所以给出一个相对比较注重可靠性的和一个比较注重成本的两个值供参考。下面同理。

三、功率MOS

VGS<85%×VGSmax(最大栅极驱动电压)

ID_peak<80%×ID_M(最大漏极脉冲电流)

VDS<80～90%×额定电压

dV/dt<50%～90%×额定值

结温<85℃~80%×Tjmax(最大工作结温)

Tcase(外壳温度)≤0.8×Tjmax‐2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。

四，三极管

所有的电压指标都要限制在85%的额定值之下

功率损耗不超过70%～90%额定值

IC必须在RBSOA(反偏安全工作区)与FBSOA(正偏安全工作区)范围内降额30%（就是额定的70%）

结温不超过85～125℃

Tcase(外壳温度)≤0.75×Tjmax‐2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是从结到壳的热阻，P是功率损耗。这是一个可供参考的经验值。

五，电解电容

铝电解电容是开关电源中一个非常重要的元件。而很多开关电源的故障率偏高，都是因为对铝电解的使用不当造成的。 由于铝电解的重要性，我们对他的研究比较多，因而制定出来的规则也比较多。

1，V dc+V ripple<90%×额定电压

2，在电容体之下，PCB正面，尽量不要有地线之外的其他走线。

3，纹波电流，这个问题比较复杂，因为开关电源中，纹波电流的频谱是非常丰富的，所以必须把纹波电流折算一下：

频率因子，供应商应该可以提供的。

纹波电流必须保证在供应商的额定值的70%～90%之内。

4，电解电容的初始容量要保证20%的裕量。同时，要保证额外的20%的容量裕量，以应对寿命快到时的容量衰减。

5，电解电容的寿命温度加速因子为2每10℃，也就是说，温度每升高10度，寿命减半。

6，壳温T case受限于设计寿命。

7，自温升<5℃，所谓自温升，是指电容实际工作时，完全因为自身发热导致的温升。

六，瓷片电容

工作电压<60%～90%×额定电压

表面温度<105℃

自温升<15℃或由规格书定义，以低的为准。

七，薄膜电容

1，在开关电源中，不要使用聚苯乙烯电容，因为聚苯乙烯电容耐热比较差。

2，表面温度<85℃，超过85℃耐压按照下图降额使用。此处的电压指的是直流电压叠加交流峰值电压。

3，聚酯电容自温升<8℃或由规格书定义，以低的为准

4，聚丙烯电容自温升<5℃或由规格书定义，以低的为准

5，薄膜电容的使用寿命取决于电压值和电压脉冲的上升速率。允许的脉冲数量和电压值以及脉冲斜率的关系，如下式：