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降額設(shè)計(jì)是常用可靠性設(shè)計(jì)方法之一，在工程上如何應(yīng)用呢？本文分享關(guān)于降額設(shè)計(jì)的案例，供學(xué)習(xí)參考。

1、半導(dǎo)體集成電路降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

(1) 模擬電路(運(yùn)算放大器)降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

要求：對(duì)國(guó)產(chǎn)運(yùn)算放大器進(jìn)行I級(jí)降額。

實(shí)施：從數(shù)據(jù)手冊(cè)上查得某型號(hào)運(yùn)算放大器的額定值如下：

正電源電壓  V_CC=+22V；負(fù)電源電壓   V_EE=－22V

輸入差動(dòng)電壓V_ID=±20V；輸出短路電流 I_OS=20mA

最高結(jié)溫    T_jm=150℃

總功率      P_tot=500mW；熱阻q_JC=160℃/W

在70℃以上，按－6.25mW/℃降額。

根據(jù)規(guī)定，以I級(jí)降額為例計(jì)算得出：

 正電源電壓  V_CC=+15.4V；負(fù)電源電壓   V_EE=－15.4V

輸入差動(dòng)電壓V_ID=±12V；輸出短路電流 I_OS=14mA

總功率      P_tot=350mW；最高結(jié)溫    T_jm=80℃

根據(jù)“輸入電壓在任何情況下不得超過電源電壓”的原則，輸入差動(dòng)電壓V_ID應(yīng)不大于±15V。II級(jí)和III級(jí)降額的計(jì)算可依此類推。

為了使結(jié)溫和功率同時(shí)滿足鏈接表規(guī)定的降額因子要求，放大器必須根據(jù)不同的降額等級(jí)工作在圖1所示降額曲線的范圍內(nèi)，T_C為器件殼溫。

圖1  國(guó)產(chǎn)運(yùn)算放大器降額曲線

(2) 數(shù)字電路(TTL電路)降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

要求：對(duì)國(guó)產(chǎn)TTL門電路進(jìn)行I、II、III級(jí)降額。

實(shí)施：從數(shù)據(jù)手冊(cè)上查得某型號(hào)TTL門電路的額定值如下：

電源電壓    V_CC=5.0±5%V；  電源電流I_CC=27mA(不帶負(fù)載)

輸入高電平  V_IM=2.0V;    輸入低電平  V_IL=0.8V

輸出高電平  V_OH=2.4V;    輸出低電平  V_OL=0.4V

扇出        N_O=20；     熱阻   q_JC=28℃/W

從鏈接表有關(guān)說明中的規(guī)定，降額后的扇出N_O及最高結(jié)溫為：

N_O=20×0.8=16；

I、II、III級(jí)降額的最高結(jié)溫分別為：85℃、100℃、115℃。

最壞情況的靜態(tài)功率P_D：此時(shí)V_CCⅠ=5.15V、V_CCⅡ=V_CCⅢ=5.52V，

I級(jí)  P_DI=5.15×27=139.05mW；

II、III級(jí) P_DII=P _DⅢ=5.25×27=141.75mW；

已知每個(gè)典型TTL門的V_OL=0.4V、I_OL=1.6mA，當(dāng)N_O=16時(shí)，該電路所帶的最大負(fù)載功率P_L=16×0.4×1.6=10.24mW

I級(jí)總功率  P_tot=139.05+10.24=149.29mW»0.149W

II級(jí)、III級(jí)總功率 P_tot=141.75+10.24=151.99mW»0.152W

殼溫  T_C=T_jm－P_tot×q_JC

對(duì)于I級(jí)   T_CI=85－0.149×28=80.83℃；

II級(jí)       T_CII=100－0.152×28=95.74℃；

III級(jí)      T_CIII=115－0.153×28=110.74℃。

通過熱分析或熱測(cè)量，該電路殼溫超過上述范圍時(shí)，功率(輸出電流)必須進(jìn)一步降額，以保持最高結(jié)溫在鏈接表規(guī)定的范圍內(nèi)。

2、 半導(dǎo)體分立器件降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

(1) 晶體管降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

晶體管反向電壓或電流和結(jié)溫降額容易實(shí)現(xiàn)，下面介紹功率降額和安全工作區(qū)降額。

1)功率降額

晶體管允許的總耗散功率與環(huán)境溫度T_A(或殼溫T_C)的關(guān)系可用圖2的“功率—溫度負(fù)荷特性曲線”來表示。

圖2(a)、(b)、(c) 陰影部分分別為I、II、III級(jí)降額的允許工作區(qū)。降額的曲線均與額定值曲線平行。晶體管功率與殼溫的降額曲線示例見圖3。

小功率晶體管最大額定功率對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度通常在－55℃~+25℃之間，當(dāng)超過了溫度上限后，其允許的總耗散功率值線性下降，直至下降到0，此時(shí)的環(huán)境溫度(或殼溫)對(duì)應(yīng)于晶體管的最高結(jié)溫。曲線斜線部分的斜率約等于熱阻的倒數(shù)，它與器件的物理常數(shù)有關(guān)。

功率晶體管降額也應(yīng)同時(shí)考慮滿足功率和溫度的降額曲線要求，其降額曲線見圖4所示。

2) 安全工作區(qū)降額

大功率晶體管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常給出一個(gè)確定的安全工作區(qū)(SOA)，當(dāng)器件在安全工作區(qū)內(nèi)工作時(shí)，應(yīng)保證不發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象。

圖5是大功率晶體管典型的直流工作安全工作區(qū)曲線。安全工作區(qū)降額應(yīng)按表6對(duì)最大額定集電極電流I_C和集電極—發(fā)射極電壓V_CE進(jìn)行降額，再對(duì)功率限值和二次擊穿限值進(jìn)行降額。安全工作區(qū)降額應(yīng)用示例見圖5。

(2) 二極管降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

二極管反向電壓、電流和結(jié)溫降額容易實(shí)現(xiàn)，下面介紹功率降額。

二極管允許的總耗散功率(或電流)與環(huán)境溫度(或殼溫)的關(guān)系可用“功率(或電流)一溫度負(fù)荷曲線”表示，見圖6。

小電流或小功率二極管最大額定電流或功率對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度范圍通常在-55℃~+25℃之間，當(dāng)超過了溫度上限后，其允許的電流或功率將線性下降，直至下降到0，此時(shí)的環(huán)境溫度T_A(或殼溫T_C)對(duì)應(yīng)于二極管的最高結(jié)溫。曲線斜線部分的斜率約等于熱阻的倒數(shù)，它與器件的物理常數(shù)有關(guān)。

圖2  晶體管功率降額曲線

(a)I級(jí)降額工作區(qū)；(b) II級(jí)降額工作區(qū)；(c) III級(jí)降額工作區(qū)

圖3  開關(guān)晶體管功率—殼溫降額曲線

圖4 功率晶體管降額曲線 

圖5  大功率晶體管安全工作區(qū)降額

圖6  整流二極管電流—環(huán)境溫度降額

 (3) 可控硅降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

可控硅降額設(shè)計(jì)實(shí)施與(2)二極管降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例相同。其平均電流與環(huán)境溫度的降額曲線示例見圖7。

圖7  可控硅降額曲線

3、 電阻器降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

各類電阻器(包括電阻網(wǎng)絡(luò)和電位器)降額設(shè)計(jì)實(shí)施較容易。下面僅對(duì)不同類別電阻器的額定功率值與環(huán)境溫度關(guān)系(電阻器負(fù)荷特性曲線)作說明。

對(duì)應(yīng)不同的電阻器，由額定功率值，額定環(huán)境溫度(見元件詳細(xì)規(guī)范，圖8示例為70℃)及電阻器零功率點(diǎn)的最高環(huán)境溫度(圖8示例為130℃)，可直接作出電阻器負(fù)荷特性曲線或由生產(chǎn)廠給出。進(jìn)而由功率降額要求畫出與負(fù)荷特性曲線的平行線。由圖8可見，在環(huán)境溫度不大于70℃(元件額定功率允許的最高環(huán)境溫度見詳細(xì)規(guī)范)時(shí)，各級(jí)功率降額可按額定功率降額；在環(huán)境溫度大于70℃時(shí)，考慮環(huán)境溫度的降額影響，電阻器功率必須作進(jìn)一步降額。

圖8  某合成型電阻器降額曲線

4、 電容器降額設(shè)計(jì)實(shí)施示例

典型的鉭電解電容器(不包括鉭箔電容器)的降額曲線示例如圖9所示。圖中所示的鉭電容器的額定電壓時(shí)最高環(huán)境溫度為85℃，電解電容器應(yīng)降額至65℃，對(duì)應(yīng)I、II、III級(jí)降額的工作直流電壓與額定直流電壓之比分別為0.5、0.6和0.7。

對(duì)于最高環(huán)境溫度超過85℃時(shí)的電容器降額曲線形狀仍與圖9相似，但電解電容器最高電壓為類別電壓，對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)降額的工作直流電壓與類別電壓之比仍為0.5、0.6和0.7。最高環(huán)境溫度125℃則降額至105℃。

 圖9  電容器降額曲線