降额设计

系统修理
安全
尺寸、重量 寿命周期内
三、降额设计工作过程
之二：确定降额等级
♣ 为了使降额等级的确定更为合理，美国国防部RAC提出降额 等级确定的考虑因素及其计分情况准则：
降 额 等 级 I II III 总 计 分 数 11—15 7—10 6或6以下
三、降额设计工作过程
之三：确定降额参数
对元器件失效率有影响的主要降额参数和关键降额参数 对元器件失效率有影响的主要降额参数和关键降额参数
电子产品可靠性设计分析
降额设计
北京航空航天大学工程系统工程系
主要内容
一、基本概念 二、降额设计一般原则 三、降额设计工作过程 四、降额设计示例 五、各类元器件降额简述 六、元器件降额设计要求
一、基本概念
♣ 电子产品的降额设计就是使元器件或设备在使
用中所承受的应力（电、热、和机械应力等）低 于其额定值的方法。
声表面波器件
三、降额设计工作过程
之三：确定降额参数 ♣ 上述各类元器件的关键降额参数，可以用作可靠性预
计中元器件应力分析法的应力比参数。
♣ 确定降额参数时，必须注意参数的技术指标，包括参
数工作应力的性质和降额基准值的种类。
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。
混合集成电路 存储器 微处 理器
大规模集成电路 晶体管 二极管
三、降额设计工作过程
之三：确定降额参数
对元器件失效率有影响的主要降额参数和关键降额参数 对元器件失效率有影响的主要降额参数和关键降额参数
元器件类型 电阻器 电位器 电容器 电感元件 继电器 开 关 电连接器 导线与电缆 旋转电器 灯 泡 电路断路器 保险丝 晶 体 电真空 器件 阴极射线管 微波管 光源 纤维光学 器件 探测器 光纤与光缆 光纤连接器 主要降额参数和关键降额参数 电压、 功率☆ 、环境温度 电压、 功率☆ 、环境温度 直流工作电压☆、环境温度 热点温度☆、电流、瞬态电压/电流、介质耐压、扼流圈电压 触点电流☆、触点功率、温度、振动、工作寿命 触点电流☆、触点电压、功率 工作电压、工作电流☆、接插件最高温度 电压、电流☆ 工作温度☆、负载、低温极限 工作电压☆、工作电流☆ 电流☆、环境温度 电流☆ 最低温度、最高温度☆ 温度☆ 温度、输出功率☆、反射功率、占空比 输入功率☆ 输出功率、电流☆、结温 反向压降☆、结温 环境温度☆、张力、弯曲半径 环境温度☆
元器件类型 模拟 电路 数字 电路 放大器 比较器 模拟开关 电压调整器 双极型 MOS型 双极型 MOS型 双极型 MOS型 普通 微波 普通 微波、基准 可控硅 半导体光电器件 主要降额参数和关键降额参数 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☆ 频率、输出电流、最高结温☆、电源电压 电源电压、输出电流、频率、最高结温☆、电源电压 厚、薄膜功率密度、最高结温☆ 频率、输出电流、最高结温☆、电源电压 频率、输出电流、扇出、最高结温☆、电源电压 最高结温☆ 反向电压、电流、功率、最高结温☆、功率管安全工作区的电压和电流 最高结温☆ 电压(不包含稳压管)、电流、功率、最高结温☆ 最高结温☆ 电压、电流、最高结温☆ 电压、电流、最高结温☆
三、降额设计工作过程
之二：确定降额等级
♣ 为了使降额等级的确定更为合理，美国国防部RAC提出降额 等级确定的考虑因素及其计分情况准则：
因 素 可靠性 情 况 ·采用标准的元器件能完成的设计 ·有高可靠性要求需进行专门的设计 ·采用新概念、新工艺的设计 ·能很容易、很快和经济地对系统进行修理 ·系统修理费用高，对修理有一定限制，要求高的修理技术以 及只允许很短的修理时间 ·对不可能进行修理的设备系统或者难以承受的修理费用 ·通常对安全不会有影响 ·为了安全系统或设备可能要较高的成本 ·可能危及人员生命 ·通常没有对设计者特殊的限制 ·进行专门的设计并对满足设备尺寸、重量要求有一定有困难 ·采用新概念设计并要求设计紧凑 ·修理费用低，通常备件费用也不高 ·修理费用可能高或备件费用高 ·对各系统要求备有全部的替换产品 分 数 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
♣ 我国现行标准尚能适用于国产元器件，使用时必须根据情 况对降额准则进行剪裁。
三、降额设计工作过程
之二：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，
三、降额设计工作过程
之二：确定降额等级
我国标准GJB/Z35−93对不同类型装备推荐应用的降额等级 我国标准GJB/Z35−93对不同类型装备推荐应用的降额等级
降 额 等 级 应 用 范 围 最 高 航天器与运载火箭 战略导弹 战术导弹系统 飞机与舰船系统 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 最 低 I II III III III III III
♣ 若元器件一直工作在额定应力值下，
其性能退化速率较快，因此降额使用 有利于延缓和减小性能退化；
♣ 使得设计具有一定安全余量，提
高系统的可靠性。
一、基本概念
——降额可降低元器件失效率
6 金属膜电阻器基本失效率（额定温度125℃）10--6/h 金属膜电阻器基本失效率（额定温度125℃）10 /h
二、降额设计一般原则
♣ 降额设计是型号工程中系统(设备)可靠性设计的关键内 容。因此要对设备所用的各类元器件进行正确合理地降 额设计，以提高系统(设备)的使用可靠性。 ♣ 国产元器件降额可按GJB/Z35的要求进行，国外元器件降 额可按美国国防部可靠性分析中心《元器件选择、应用 和控制》和美国波音宇航公司《可靠性元器件降额准则》 的降额要求进行。
♣ 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。
三、降额设计工作过程
之三：确定降额参数
额定电压与类别电压的关系 额定电压与类别电压的关系
三、降额设计工作过程
之三：确定降额参数
额定电压与类别电压的关系 额定电压与类别电压的关系
三、降额设计工作过程
之四：确定降额因子
♣ 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。
三、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 降额分析与计算
三、降额设计工作过程
之一：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》。
二、降额设计一般原则
♣ 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(系数)。
降额等级表示设备中元器件降额的不同范围。 降额参数是指设备中影响元器件失效率的元器件电 应力参数和环境应力参数。 降额因子(降额系数)是指元器件工作应力与额定应 力之比，一般用符号S来表示。
二、降额设计一般原则
举例：双极型数字电路降额准则
降额参数 频 率 降 额 等 级 Ⅰ 0.80 0.80 85 Ⅱ 0.90 0.90 100 Ⅲ 0.90 0.90 115
输出电流 最高结温℃二、Fra bibliotek额设计一般原则
♣ 各类电子元器件都有最佳的降额范围（参见GJB/Z35 ）， 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。 ♣ 元器件的降额量值允许做适量调整，但对关键元器件要保 证规定的降额量值。
其中I级降额最大，III级降额最少。
三、降额设计工作过程
之二：确定降额等级
降额等级 各类情况 降额程度 元器件使用可靠性改 善情况 I级 最大 最大 1．设备故障导致人员伤亡或 装备与保障设备的严重破坏 2．对设备有高可靠性要求 适用情况 3．采用新技术、新工艺设计 4．由于费用和技术原因， 故障设备无法或不宜维修 5．设备的尺寸、重量有苛刻 的限制 降额设计的实现 降额增加费用 较难 略高 一般 中等 容易 较低 II级 中等 适中 1．设备故障引起装 备与保障设备损坏 2．对设备有高可靠 性要求 3．采用某些专门设计 4．需支付较高的维修 费用 III级 最小 较小 1．设备故障不会造 成人员和设备的伤 亡和破坏 2．采用成熟的标准设 计 3．故障设备可迅速、 经济地加以修复 4。对设备的尺寸、重量 无大的限制
二、降额设计一般原则
——四点注意事项
♣ 不能过度降额，过度的降额会使效益下降，系统(设 备)重量、体积和成本增加，有时还会使某些元器件 工作不正常。如大功率晶体管在小电流下，会大大降 低放大系数且参数稳定性降低； ♣ 不能采用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问 题 ； ♣ 不能由于采用了高质量等级的元器件，而不进行降额 设计； ♣ 不应将相关标准所推荐的降额量值绝对化，降额是多 方面因素综合分析的结果。
T ℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 0.1 0.002 0.002 0.003 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.007 0.008 0.008 0.009 0.011 0.012 0.013 0.015 0.2 0.002 0.003 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.007 0.007 0.008 0.009 0.010 0.012 0.013 0.015 0.3 0.002 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.012 0.013 0.015 0.016 0.4 0.003 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.013 0.014 0.016 0.5 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.012 0.014 0.016 0.018 S 0.6 0.003 0.003 0.004 0.004 0.005 0.006 0.006 0.007 0.008 0.009 0.011 0.012 0.014 0.016 0.018 0.7 0.003 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.012 0.013 0.015 0.017 0.019 0.8 0.003 0.004 0.005 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.013 0.015 0.017 0.019 0.9 0.004 0.004 0.005 0.006 0.006 0.007 0.008 0.009 0.011 0.012 0.014 0.016 0.018 0.021 1.0 0.004 0.005 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.012 0.013 0.015 0.018 0.020