元器件降额设计11转PDF2

Ⅲ 0.80 0.70 0.80 0.80 105 0.80 0.80 0.80 0.80 105 0.80 0.80 0.85 0.80 0.80 105 0.85 0.90 0.85 0.80 105 0.90 0.90 115
元器件降额设计
元器件降额设计
一．基本概念 二．降额设计工作过程 三．降额设计示例 四．降额设计基本原则 五．各类元器件降额简述 六．元器件降额设计要求
基本概念
降额设计主要是指构成电子设备的元器件使用中所 承受的应力（电、热、和机械应力）低于其设计的 额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命， 提高使用可靠性的目的。 降额设计中认为元器件本身是可靠的，元器件在额 定应力值下，一般情况下是应能正常工作的，然而 在额定值下工作的元器件，其失效率往往比较大。 降额设计目的就是通过限制元器件所承受的应力， 将元器件在低于其额定应力值下使用，达到降低元 器件自身的失效率, 提高系统可靠性的目的。
电压调整器
模 拟开关
示例—运算放大器降额准则应用
根据前面表格，以Ⅰ级降额为例计算得出 ：
根据输入电压在任何情况下不得超过电源电压 的原则，输入差动电压 应不大于±15V。Ⅱ级 和Ⅲ级降额的计算可依此类推。
各类元器件降额简述
数字微电路 ① 器件在工作时，应维持最低结温； ② 器件实际工作频率应低于其额定的工作频 率，否则功耗会迅速增加； ③ 降额参数是电源电压、频率、输出电流和 结温。
降额分析和计算
从降额设计主要内容上看，其关键是对元器件进 行工作应力分析。进行降额的元器件应力主要包 括电应力和温度应力。 可以借助EDA软件，通过对电路图进行仿真获得 元器件的电应力工作数据。 可以借助热分析软件如BETASoft ，对电路布局 进行热分析，获得温度工作应力数据。 将获得的工作应力值与额定值进行比较，确定降 额设计的要求是否达到，并将元器件降额校验的 结果清单输出。
各类元器件降额简述
电阻器 ① 降额主要应力参数是热点温度(功耗温度 和环境温度)； ② 电压高会影响电阻体失效； ③ 金属膜电阻器在低气压情况下工作，要作 进一步降额； ④ 主要降额参数是电压、功率和环境温度。
各类元器件降额简述
电容器
① 电压影响电容器寿命，越接近额定电压时影响越大； 降额的直流电压值=直流电压+交流峰值电压；电压与 寿命有五次幂关系，电压减一半，寿命可增至32倍； ② 环境温度影响电容器的使用寿命、电容量、绝缘电阻 介电强度和器件的密封等。 电容器温度=环境温度+交流负载引起外壳温升， 在某温度范围内，电容器温度降低10℃，元件寿命增 加1倍； ③ 主要降额参数是直流电压值和环境温度。
0百度文库70 0.60 — 0.70 0.70 80
比 较 器 降 Ⅰ
0.70 0.70 — 0.70 0.70 80
Ⅱ
0.80 0.70 — 0.80 0.75 95
Ⅲ
0.80 0.70 — 0.80 0.80 105
a. 电源电压从额定值降额 b. 输入电压从额定值降额等 级 额 等 级 降额等级 降额 c. 输出电流从额定值降额 Ⅱ d. Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅱ 功率从最大允许值降额 Ⅲ e. 结温给出了最高允许结温 0.80 0.80 0.70 0.80 0.80 0.70 0.80 0.85
降额设计基本原则
1. 降额设计是可靠性设计的重要内容，因此要求对 系统所用元器件正确合理地做好降额设计。 2. 降额设计的工作内容是要确定设备元器件应采用 的降额等级、降额参数和降额因子。 3. 元器件的降额量值允许做适量调整，但对关键元 器件应保证规定的降额量值。 4. 国产元器件降额可按GJB/Z35的要求进行，国外 元器件降额可按国外元器件降额要求(摘自美国 国防部可靠性分析中心)进行。
6.
7.
降额设计工作过程
确定降额准则 确定降额等级 确定降额参数 确定降额因子 进行计算和降额分析
确定降额准则
降额准则是降额的依据和标准。
我国通用标准是GJB/Z35-93《元器件降额准则》 美国波音宇航公司为罗姆航空发展中心编制《元器件 可靠性降额准则》 欧空局《电子元件降额要求和应用准则》。
各类元器件降额简述
开关 ① 开关触点通过的电流情况，会严重影响长期 工作的开关的接触可靠性； ② 开关通过电压大小，主要影响开关的绝缘； ③ 开关触点可并联工作，但不要通过触点并联 作为降额办法。 ④ 开关降额参数是触点电流、电压和功率。
元器件降额设计要求(见GJB/Z35附录B)
元器件种类 降额参数
确定降额参数
大部分元器件的降额参数，不仅内容不同，其 参数的数量也不一致，一般为3～7项。 一般来讲，元器件的降额应符合某降额等级下 各项降额参数的降额量值的要求，在不能同时 满足时，应尽量保证对失效率下降起关键影响 的元器件参数的降额值。 电阻器 降额主要应力参数是 “热点温度” 电容器 降额的主要应力参数是电压应力
电源电压 输入电压 输出电流 功率 最高结温 ℃ 电源电压 输入电压 输出电流 功率 最高结温 ℃ 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 ℃ 电源电压 输入电压 输出电压 功率 最高结温 ℃ 频率 输出电流 最高结温 ℃ Ⅰ 0.70 0.60 0.70 0.70 80 0.70 0.70 0.70 0.70 80 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 80 0.70 0.80 0.75 0.70 80 0.80 0.80 85
晶体管和集成电路工作结温估算
器件类型
晶体 管 二极 管 小功率 中功率 小功率 中功率 门数不大于30或晶体管数不大于120(存储器除外) 门数大于30或晶体管数大于120，以及所有存储器 集成 电路 低功耗TTL及MOS电路 （门数不大于30或晶体管数不大于120） 低功耗TTL及MOS电路 （门数大于30个或晶体管数大于120个）
确定降额因子
国军标中推荐的降额因子，即降额量值，应用 时不应将它绝对化。降额量值应考虑多方面因 素(重量、体积和成本等)。 对元器件个别影响失效率不大的参数降额应允 许作适当的改变，降额量值可作合理的变动。 也包括同一器件各降额参数之间的调整。但不 要轻易降低降额等级。
降额分析和计算
分析步骤
① 确定元器件在降额准则中的类型 ② 按降额准则列出该类型所有的降额参数和 细节 ③ 按降额等级求出每个降额参数的降额因子 ④ 对电路中的元器件进行应力分析 ⑤ 降额复核
确定降额等级
II 级降额
II 级降额是中等降额，对元器件使用可靠性 有明显改善， II级降额在设计上较I级降额易于实 现。 II 级降额适用于下述情况：设备的失效将可 能引起装备与保障设施的损坏；有高可靠性的要 求，且采用了某些专门的设计；需交付较高的维 修费用。
确定降额等级
III级降额
III 级降额是最小的降额，对元器件使用可靠性 改善的相对效益最大，但可靠性改善的绝对效果不 如I级和II级降额。III级降额在设计上最易实现。 III级降额适用于下述情况：设备的失效不会造 成人员和设施的伤亡和破坏；设备采用成熟的标准 设计；故障设备可迅速、经济地加以修复；对设备 的尺寸、重量无大的限制。
工作应力的性质是指工作应力是定值还是交变值； 降额基准值的种类指的是降额基准值是额定值还是 极限值。
确定降额参数
举例：电容器
① 电压影响电容器寿命，越接近额定电压时影响越大； ② 环境温度影响电容器的使用寿命、电容量、绝缘电阻 介电强度和器件的密封等。
固定陶瓷电容器降额准则
降额参数 直流工作电压 环境温度℃ 降 Ⅰ 0.50 额 等 级 Ⅱ 0.60 Tam─10 Ⅲ 0.70
放大器
比较器 模 拟 电 路
集 成 电 路
电压 调整器
模拟 开关
数 字 电 路
双极型 电路
降额等级 Ⅱ 0.80 0.70 0.80 0.75 95 0.80 0.80 0.80 0.75 95 0.80 0.80 0.80 0.75 0.75 95 0.80 0.85 0.80 0.75 95 0.90 0.90 100
各类元器件降额简述
大规模集成电路 ① 器件在工作时，应维持最低结温； ② 器件内部参数允许变化小，在保证器件正 常工作下，应尽可能降低输入电平、输出 电流和工作频率； ③ 降额参数是结温。
各类元器件降额简述
晶体管器件 ① 温度中热应力对器件影响最大，电压击穿 是晶体管失效的另一主要因素； ② 大功率晶体管有二次击穿现象，因此对其 安全工作区要进行降额。 ③ 主要降额参数是反向电压、电流、功耗和 结温。
确定降额等级
I 级降额
I 级降额是最大的降额，对元器件使用可靠性 的改善最大，超过它的更大降额，通常对元器件可 靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。 I 级降额适用于下述情况∶设备的失效将导致 人员伤亡或装备与保障设施的严重破坏；对设备有 高可靠性要求，且采用新技术、新工艺的设计；由 于费用和技术原因，设备失效后无法或不宜维修； 系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。
结温
Tj=TA+30 Tj=TC+30 Tj=TA+20 Tj=TC+20 Tj=TA+10 Tj=TA+25 Tj=TA+5 Tj=TA+13
示例—运算放大器降额准则应用
查得某型号运算放大器的额定值如下：
示例—运算放大器降额准则应用
模拟电路降额准则如下：
放 大 器 降 额 参 数 降额等 级 Ⅰ 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 ℃
确定降额等级
建议的降额等级应用范围
应用范围 最高 航天器与运载火箭 战略导弹 战术导弹系统 飞机和舰船系统 通信电子系统 武器与车辆系统 地面保障设备 I I I I I I II 降额等级 最低 I II III III III III III
确定降额参数
元器件降额的对象主要是元器件的电应力参数 和温度应力参数，称为降额参数。降额参数是 由元器件的工作失效率模型确定的。 确定降额参数时，必须注意参数的细节，包括 参数工作应力的性质和降额基准值的种类。
我国现行标准尚能适用于国产元器件，但由于国 内元器件质量与国外元器件有一定差距，降额时 应考虑对国产元器件每个降额等级适当放宽。同 时必须根据情况对降额准则进行剪裁。
确定降额等级
波音宇航公司为罗姆航空发展中心起草的降额 准则将降额分为3个等级。 最早版的MIL-HDBK-217《电子设备可靠性预 计》中，将降额分为4个等级。 我国标准GJB/Z35-93中将降额分为三个等级， 其中I级降额最大，III级降额最少。
确定降额因子
降额因子又称为应力比，指元器件工作应力与 额定应力之比。应力包括影响元器件失效率的 电、热、机械等负载。 降额因子的选取有一个最佳范围，一般应力比 0.5～0.9。这个范围内，基本失效率下降很多， 但是一旦超出这个范围，元器件失效率的下降 很小。 随降额因子的变化，元器件失效率相应变化。 当降额因子从0.9变化到0.1时，基本失效率是连 续下降的。对于相同应力比S，工作环境温度的 下降也可以使基本失效率降下来。
基本概念
元器件的降额设计是可靠性工作的范畴之一， 它是从元器件级的基础上设计和提高产品的可 靠性和安全性，降低失效率。 这项工作先进国家起步较早，我国在上世纪80 年代初期开始这方面的工作，1988年1月，航天 部在国内率先颁布了元器件可靠性降额准则 QJ1417-88。 1993年9月发布GJB/Z35-93《元器件降额准则》
0.80 — 0.80 0.75 95 0.80 — 0.80 0.80 105 0.70 0.70 0.70 0.70 80 0.80 0.80 0.75 0.75 95 0.80 0.85 0.80 0.80 105 0.80 — 0.75 0.70 80 0.85 — 0.80 0.75 95 0.90 — 0.85 0.80 105
降额设计基本原则
5. 各类电子元器件都有最佳的降额范围，在此范围内 工作应力的变化对其失效率有明显的影响，在设计 上也较容易实现，且不会在设备体积、重量方面付 出过大代价。 降额到一定程度后可靠性的提高是很微小的，过度 降额会在设备的重量、体积、成本方面付出大的代 价。对提高设备的可靠性并无太大益处，有时反而 有害。 不应采用过度的降额来弥补选用低于要求质量等级 的元器件，同样也不能由于采用了高质量等级的元 器件，而不进行降额设计。