電源各元器件降額使用指南

為什么要降額使用元器件？

因?yàn)槿绻骷墓ぷ鳡顟B(tài)不超過供應(yīng)商提供的規(guī)格書上的指標(biāo)。那么可以實(shí)現(xiàn)全壽命工作。降額使用，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

降額使用規(guī)則的制定，是依據(jù)最差工況(worst case)來制定的。處于最差工況工作的元件，是實(shí)際壽命達(dá)不到額定壽命的重要因素。

最差工況，就是元件工作時(shí)承受著最大應(yīng)力的工作狀況。這種情況一般由外部環(huán)境的參數(shù)比如溫度、電壓、開關(guān)次數(shù)、負(fù)載等條件中的一種或多種組合而成。這些應(yīng)力的邊界條件一般在元件的規(guī)格書中都是給出來的。

一個(gè)良好的設(shè)計(jì)，是應(yīng)該根據(jù)最差工況時(shí)，元件的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)來評(píng)估設(shè)計(jì)的可靠性的。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估同時(shí)可以確定失敗的原因、潛在的風(fēng)險(xiǎn)、失敗的概率、后果的嚴(yán)重性等。

要制定降額使用規(guī)范，就要進(jìn)行worst case下的失敗風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，就要建立加速實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。要是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估按照正常使用時(shí)間來做的話，等到評(píng)估完了，市場(chǎng)份額早就被瓜分完了。

模型的準(zhǔn)確性，將嚴(yán)重影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果。要精確保證模型的準(zhǔn)確性，那又是一門大學(xué)問了。在我們這里，就定性的簡(jiǎn)單分析一下吧。

加速試驗(yàn)的加速因子，一般遵循阿累尼烏斯定律：

其中：

A 加速因子

Ea 活化能

K 波爾茲曼常數(shù)，8.63E-5 eV/K

T 絕對(duì)溫度

如果加速因子對(duì)應(yīng)某個(gè)要降額條件下的值是已知的，那么可以用下面的公式來計(jì)算其他情況下的壽命：

其中：

T 溫度，以攝氏度為單位

Tref 參考降額使用溫度，以攝氏度為單位

tref 參考使用壽命，單位KHrs(千小時(shí))

t 使用壽命，單位KHrs(千小時(shí))

A 每10攝氏度加速因子

舉個(gè)例子：

一個(gè)元件在90攝氏度下的壽命是30KHrs，加速因子A約等于2每10攝氏度，那么在什么溫度下，元件的壽命就變成了20KHrs呢？

一、集成電路

因?yàn)榧呻娐返膹?fù)雜性和保密性，一般我們只能根據(jù)半導(dǎo)體結(jié)溫來推斷集成電路的可靠性了。

我們通常規(guī)定：

1，最大工作電壓，不超過額定電壓80%

2，最大輸出電流，不超過額定電流75%

3，結(jié)溫，最大85攝氏度，或不超過額定最高結(jié)溫的80%

二、二極管

二極管種類繁多，特性不一。故而，有通用要求，也有特別要求：

通用要求：

長(zhǎng)期反向電壓<70%～90%×VRRM（最大可重復(fù)反向電壓）

最大峰值反向電壓<90%×VRRM

正向平均電流<70%～90%×額定值

正向峰值電流<75%～85%×IFRM正向可重復(fù)峰值電流

對(duì)于工作結(jié)溫，不同的二極管要求略有區(qū)別：

信號(hào)二極管< 85～150℃

玻璃鈍化二極管< 85～150℃

整流二極管和快恢復(fù)、超快恢復(fù)二極管（<1000V）<85～125℃

整流二極管和快恢復(fù)、超快恢復(fù)二極管（≥1000V）<85～115℃

肖特基二極管< 85～115℃

穩(wěn)壓二極管（<0.5W）<85～125℃

穩(wěn)壓二極管（≥0.5W）<85～100℃

Tcase(外殼溫度)≤0.8×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個(gè)可供參考的經(jīng)驗(yàn)值。

這里很多指標(biāo)給的是個(gè)范圍，因?yàn)椴煌目煽啃砸蠛统杀局g有矛盾。所以給出一個(gè)相對(duì)比較注重可靠性的和一個(gè)比較注重成本的兩個(gè)只供參考。下面同理。

三、功率MOS

VGS<85%×VGSmax(最大柵極驅(qū)動(dòng)電壓)

ID_peak<80%×ID_M(最大漏極脈沖電流)

VDS<80～90%×額定電壓

dV/dt<50%～90%×額定值

結(jié)溫<85℃~80%×Tjmax(最大工作結(jié)溫)

Tcase(外殼溫度)≤0.8×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個(gè)可供參考的經(jīng)驗(yàn)值。

四，三極管

所有的電壓指標(biāo)都要限制在85%的額定值之下

功率損耗不超過70%～90%額定值

IC必須在RBSOA(反偏安全工作區(qū))與FBSOA(正偏安全工作區(qū))范圍內(nèi)降額30%（就是額定的70%）

結(jié)溫不超過85～125℃

Tcase(外殼溫度)≤0.75×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個(gè)可供參考的經(jīng)驗(yàn)值。

五，電解電容

鋁電解電容是開關(guān)電源中一個(gè)非常重要的元件。而很多開關(guān)電源的故障率偏高，都是因?yàn)閷?duì)鋁電解的使用不當(dāng)造成的。由于鋁電解的重要性，我們對(duì)它的研究比較多，因而制定出來的規(guī)則也比較多。

1，Vdc+Vripple<90%×額定電壓

2，在電容體之下，PCB正面，盡量不要有地線之外的其他走線。

3，紋波電流，這個(gè)問題比較復(fù)雜，因?yàn)殚_關(guān)電源中，紋波電流的頻譜是非常豐富的，所以必須把紋波電流折算一下：

頻率因子，供應(yīng)商應(yīng)該可以提供的。

紋波電流必須保證在供應(yīng)商的額定值的70%～90%之內(nèi)。

4，電解電容的初始容量要保證20%的裕量。同時(shí)，要保證額外的20%的容量裕量，以應(yīng)對(duì)壽命快到時(shí)的容量衰減。

5，電解電容的壽命溫度加速因子為2每10℃，也就是說，溫度每升高10度，壽命減半。

6，殼溫Tcase受限于設(shè)計(jì)壽命。

7，自溫升<5℃，所謂自溫升，是指電容實(shí)際工作時(shí)，完全因?yàn)樽陨戆l(fā)熱導(dǎo)致的溫升。

六，瓷片電容

工作電壓<60%～90%×額定電壓

表面溫度<105℃

自溫升<15℃或由規(guī)格書定義，以低的為準(zhǔn)。

七，薄膜電容

1，在開關(guān)電源中，不要使用聚苯乙烯電容，因?yàn)榫郾揭蚁╇娙菽蜔岜容^差。

2，表面溫度<85℃，超過85℃耐壓按照下圖降額使用。此處的電壓指的是直流電壓疊加交流峰值電壓。

3，聚酯電容自溫升<8℃或由規(guī)格書定義，以低的為準(zhǔn)

4，聚丙烯電容自溫升<5℃或由規(guī)格書定義，以低的為準(zhǔn)

5，薄膜電容的使用壽命取決于電壓值和電壓脈沖的上升速率。允許的脈沖數(shù)量和電壓值以及脈沖斜率的關(guān)系，如下式：

其中：

Npulse為脈沖總數(shù)

Vr,max最大額定直流電壓

Vapplied實(shí)際使用峰峰值電壓

(dv/dt)max最大額定脈沖斜率

(dv/dt)applied實(shí)際使用脈沖斜率

八，電阻

電阻可以分為三大類：固定線性電阻、固定非線性電阻、可變電阻

固定線性電阻包括：碳膜、金屬膜、金屬氧化膜、金屬釉、碳質(zhì)等電阻和繞線電阻。

固定非線性電阻包括：NTC、PTC

電阻的可靠性主要取決于電阻的溫度，而溫度則是環(huán)境溫度和自身功率損耗產(chǎn)生熱量后疊加的效果。

功率和電壓都對(duì)電阻的選擇與使用產(chǎn)生限制：

從圖中可以知道，對(duì)于阻值低于臨界阻值的電阻，使用是受功率限制，而對(duì)于高于臨界阻值的電阻，使用上是受耐壓的限制。

對(duì)于單個(gè)脈沖的功率限制，取決于脈沖的形狀。同時(shí)脈沖的峰值電壓必須不能超過額定限制。

電阻的降額使用規(guī)則：

1，在有瞬間高壓脈沖的電路中使用金屬釉電阻

2，在有大的沖擊電流的場(chǎng)合使用繞線電阻

3，連續(xù)功率<50%×額定功率

4，不要使用>1MΩ的碳膜電阻，因?yàn)殚L(zhǎng)期穩(wěn)定性太差

5，高阻值長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的電阻應(yīng)采用金屬釉電阻

6，在熱沖擊試驗(yàn)后，電阻的阻值必須在±5%的額定范圍內(nèi)

7，可熔斷電阻，比如保險(xiǎn)絲電阻，不要靠PCB太近，以免PCB過熱

8，盡量不要將矩形的貼片電阻用在ESD保護(hù)電路，因?yàn)榫匦蔚募饨侨菀追烹?/p>

9，在電壓、電流采樣時(shí)，如果用貼片電阻，盡量使用尺寸在1206以上的。

10，耐壓的降額使用：

對(duì)于碳膜、金屬膜、金屬氧化膜電阻：

R>100K時(shí)，VRMS<50%×額定最大連續(xù)工作電壓

R≤100K時(shí)，VRMS<90%×額定最大連續(xù)工作電壓或90%×(P×R)0.5，以低的為準(zhǔn)。

對(duì)于碳質(zhì)電阻、金屬釉電阻和繞線電阻：

VRMS<90%×額定最大連續(xù)工作電壓或90%×(P×R)0.5，以低的為準(zhǔn)。

11，電路中有沖擊電流的時(shí)候的瞬時(shí)功率可以按照下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

P=I2×R×t/4，其中，t是電流跌落到最大值38%時(shí)的時(shí)間。

九，磁性元件

磁性元件中，線對(duì)線之間的最大電壓不能超過下表：

將AWG線規(guī)可以按照此式轉(zhuǎn)換為mm單位線徑：d=25.4×0.005×92((36-AWG)/39)

漆包線的使用壽命加速因子約為2.5每10℃。

線包的溫度降額規(guī)定：

CLASS B：95℃～110℃注：額定溫度是130℃

CLASS F：110℃～125℃注：額定溫度是155℃

CLASS H：125℃～150℃注：額定溫度是180℃

磁芯的降額規(guī)定：

Bmax<80%×Bsat 在任何條件下。Bsat是磁芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度

TCORE<70%×Tcurie-10℃? 　　　Tcurie是磁芯居里點(diǎn)溫度

十，金屬氧化物壓敏電阻MOV

Tcase ≤85℃，在任何條件下

具體選型推薦為：

AC120V/127V選用150Vrms

AC220V選用275Vrms(此項(xiàng)尚存爭(zhēng)議)

AC277V選用320Vrms

AC347V選用420Vrms

十一，印刷電路板

PCB材料和最高可用表面溫度如下：

FR275℃

FR390℃

FR4125℃

CEM1 125℃

CEM3 125℃

此外，有以下一些規(guī)則：

可以使用過孔幫助散熱

每個(gè)過孔流過電流不超過2A

布線之間的間距與電壓的關(guān)系參考UL935

FR1的導(dǎo)熱率是FR4的兩倍，但FR1不適合做雙面板

十二，保險(xiǎn)絲

對(duì)保險(xiǎn)絲的降額使用，是對(duì)電路保護(hù)可靠性和保險(xiǎn)絲使用壽命之間的妥協(xié)。

降額使用保險(xiǎn)絲，并不能直接帶來產(chǎn)品可靠性的提升。

環(huán)境溫度和電流是影響保險(xiǎn)絲壽命的主要因素。

在25℃下，保險(xiǎn)絲的電流應(yīng)該降額25%使用。在環(huán)境溫度升高時(shí)，慢熔斷的保險(xiǎn)絲，要按照0.5%/℃來增加降額。而快融斷保險(xiǎn)絲則按照0.1%/℃來增加降額。

十三，光耦

最大工作電壓<70%～90%×額定電壓

最大工作電流<25%～90%×額定電流

電流傳輸比，按照產(chǎn)品壽命時(shí)間，保留20%裕量

結(jié)溫<85℃～100℃

因?yàn)榻殿~使用其實(shí)是個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的東西。所以這里肯定有不少地方和大家的觀點(diǎn)不同，希望大家也談?wù)勛约旱目捶?。一起把電源質(zhì)量做上去！謝謝！

審核編輯：湯梓紅