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利用元器件標(biāo)準(zhǔn)評估產(chǎn)品可靠性

 

什么是降額設(shè)計(jì)？

 

降額設(shè)計(jì)(Derating)是使零部件的使用應(yīng)力低于其額定應(yīng)力的一種設(shè)計(jì)方法。

 

降額設(shè)計(jì)可以通過降低零件承受的應(yīng)力或提高零件的強(qiáng)度的辦法來實(shí)現(xiàn)。工程經(jīng)驗(yàn)證明，大多數(shù)機(jī)械零件在低于額定承載應(yīng)力條件下工作時(shí)，其故障率較低，可靠性較高。

 

為了找到最佳降額值，需做大量的試驗(yàn)研究。當(dāng)機(jī)械零部件的載荷應(yīng)力以及承受這些應(yīng)力的具體零部件的強(qiáng)度在某一范圍內(nèi)呈不確定分布時(shí)，可以采用提高平均強(qiáng)度（如通過大加安全系數(shù)實(shí)現(xiàn)）、降低平均應(yīng)力，減少應(yīng)力變化（如通過對使用條件的限制實(shí)現(xiàn)）和減少強(qiáng)度變化（如合理選擇工藝方法，嚴(yán)格控制整個(gè)加工過程，或通過檢驗(yàn)或試驗(yàn)剔除不合格的零件）等方法來提高可靠性。對于涉及安全的重要零部件，還可以采用極限設(shè)計(jì)方法，以保證其在最惡劣的極限狀態(tài)下也不會發(fā)生故障。

 

在電子產(chǎn)品降額設(shè)計(jì)中，“降”得越多，要選用的元器件在性能就應(yīng)該越好，成本也就越高，所以在降額設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮。并不所有的電子產(chǎn)品都可以“降額”，在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程時(shí)，應(yīng)該注意：

 

1、不應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)所推薦的降額量值絕對化，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的特殊性適當(dāng)調(diào)整；

 

2、應(yīng)注意到，有些元器件參數(shù)不能降額；

 

3、對于電子元器件，其應(yīng)用應(yīng)力越降低越能提高其使用可靠性，但卻不盡然。如聚苯乙烯電容器，降額太大易產(chǎn)生低電平失效；

 

4、為了降低元器件的失效率，提高設(shè)備可靠性而大幅值降低其應(yīng)用應(yīng)力，按其功能往往需要增加元器件數(shù)量和接點(diǎn)，反而降低了設(shè)備可靠性；

 

5、對器件進(jìn)行降額應(yīng)用時(shí)，不能將所承受的各種應(yīng)力孤立看待，應(yīng)進(jìn)行綜合權(quán)衡；

 

6、不能用降額補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q低質(zhì)量元器件的使用問題，低質(zhì)量產(chǎn)品要慎重使用。

 

降額等級劃分

 

Ⅰ級降額是最大的降額，對元器件使用可靠性的改善最大。超過它的更大降額，通常對元器件可靠性的提高有限，且可能使設(shè)備設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。

 

Ⅱ級降額是中等降額，對元器件使用可靠性有明顯改善。Ⅱ級降額在設(shè)計(jì)上較Ⅰ級降額易于實(shí)現(xiàn)。

 

Ⅲ級降額是最小的降額，對元器件使用可靠性改善的相對效益最大，但可靠性改善的絕對效果不如Ⅰ級和Ⅱ級降額。Ⅲ級降額在設(shè)計(jì)上最易實(shí)現(xiàn)。

 

降額參數(shù)的選擇

 

不同產(chǎn)品降額參數(shù)選擇不同，對機(jī)械件還選擇力矩等。對電子產(chǎn)品而言，降額的參數(shù)通常選取一般是電應(yīng)力和熱應(yīng)力，應(yīng)力大小直接影響失效率的高低，而且不一定就只是主要性能指標(biāo)才需要降額，要結(jié)合使用條件環(huán)境進(jìn)行分析，確定哪個(gè)指標(biāo)是受應(yīng)力條件影響大的。

 

1、降額要考慮電路穩(wěn)態(tài)工作、暫態(tài)過載、動(dòng)態(tài)電應(yīng)力幾種條件下的應(yīng)力；

 

2、電阻類主要是功率降額，對高壓應(yīng)用環(huán)境還需電壓降額；

 

3、電容類主要是電壓和功耗降額，有時(shí)考慮工作頻率降額；

 

4、數(shù)字IC對其負(fù)載、應(yīng)用頻率降額；

 

5、線性與混合集成電路的降額主要是工作電流或工作電壓的降額；

 

6、微波IC主要是功率和頻率的降額；

 

7、晶體管是工作電流、工作電壓、功耗、頻率的降額；

 

8、普通二極管頻率降額、開關(guān)二極管的工作峰值反向電壓，變?nèi)荻O管的擊穿電壓、可控硅的工作浪涌電流及正向工作電流降額；

 

9、繼電器觸點(diǎn)電流的降額，按容性負(fù)載、電感性負(fù)載及電阻性負(fù)載等不同負(fù)載性質(zhì)做出不同比例的降額。對容性負(fù)載要按電路接通時(shí)峰值電流進(jìn)行降額；

 

10、電連接器的降額主要是工作電流的降額，其次是工作電壓的降額。降額程度根據(jù)觸件間隙大小及直流和交流電源而定；

 

11、開關(guān)的降額主要是開關(guān)功率和觸點(diǎn)電流的降額，電纜和導(dǎo)線是電流降額，高壓電路的電纜和導(dǎo)線是工作電壓的降額；

 

12、晶體是驅(qū)動(dòng)電壓降額（保證功率前提下）。

 

注意事項(xiàng)

 

不是降額越多越好，各類元器件均有一個(gè)最佳降額范圍，在此范圍內(nèi)應(yīng)力變化對其故障率影響較大，較小的投入即可見到較大的可靠性收益，再繼續(xù)降額，可靠性的提高很微小沒必要。

 

也不是什么指標(biāo)都允許降額，繼電器的線包電流不僅不能降低，反而應(yīng)在額定值之上，否則影響可靠的接觸。

 

降額是最簡單易行的，而且降額后，即使電路設(shè)計(jì)有些許缺陷，因?yàn)橛嗔枯^大，器件的耐受力空間足夠，也能避免些故障，況且又不用特殊的試驗(yàn)儀器，只是在選定某一器件后，選個(gè)余量稍大的，就能解決不少問題。