降额等级描述 降额等级的划分通常元器件有一个最佳降额范围。在此范围内,元器件工作应力的降低对其失效率的下降有显著的改善,设备的设计易于实现,且不必在设备的重量、体积、成本方面付出大的代价。应按设备可靠性要求、设计的成熟性、维修费用和难易程度、安全性要求,以及对设备重量和尺寸的限制等 因素,综合权衡确定其降额等级。 在最佳降额范围内推荐采用三个降额等级。 a) 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; b)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;有高可靠性要求,且采用了某些专门的设计;需支付较高的维修费用。 c) 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。 电阻器降额规范稳态功率与瞬态功率稳态功率 功率降额是在相应的工作温度下的降额,即是在元件符合曲线所规定环境温度下的功率的进一步降额,采用P=V²/R公式进行计算。 为了保证电阻器的正常工作,各种型号的电阻厂家都通过试验确定了相应的降功率曲线,因此在使用过程中,必须严格按照降功率曲线使用电阻器。 当环境温度定于额定温度时(T<Ts)可以施加60%额定功率,不需要考虑温度降额。当环境温度高于额定温度的时候,需要考虑温度降额,应该进一步降额功耗使用, P=PR(0.6+(Ts-T)/(Tmax-Ts)) PR是额定功耗; T是环境温度; Tmax是零功耗时最高环境温度。 瞬态功耗 不同厂家,电阻脉冲功耗和稳态功率的转换曲线不同,具体应用时,要查询转换缺陷,将瞬态功率转换为稳态功率,然后在此基础上降额。 厂家额定环境温度为70℃,低于这个温度的时候,直接按照60%进行降额。当超过这个温度的时候,额定曲线是一个斜线。降额曲线也按照,最大温度的降额为121℃,然后绘制一条红色的斜线,按照斜线进行降额。
瞬态功耗,又要按照单脉冲和多脉冲,分别进行讨论和分析。 单脉冲:
1、合成型电阻器1.1 概述 合成型电阻器件体积小,过负荷能力强,但它们的阻值稳定性差,热和电流噪声大,电压与温度系数较大。 合成型电阻器的主要降额参数是环境温度、功率和电压。 1.2 应用指南 a) 合成型电阻为负温度和负电压系数,易于烧坏。因此限制其电压是必须的。 b) 在潮湿环境下使用的合成型电阻器,不宜过度降额。否则潮气不能挥发将可能使 电阻器变质失效。 c) 热点温度过高可能导致合成型电阻器内部的电阻材料永久性损伤。 d) 为保证电路长期工作的可靠性, 电路设计应允许合成型电阻器有±15%的阻值容差。 1.3 降额准则 合成型电阻器的降额准则见下表。 合成型电阻器降额准则 2、薄膜型电阻器 2.1 概述 薄膜型电阻器按其结构,主要有金属氧化膜电阻器和金属膜电阻器两种。 薄膜型电阻器的高频特性好,电流噪声和非线性较小,阻值范围宽,温度系数小,性能稳定,是使用最广泛的一类电阻器。 薄膜型电阻器降额的主要参数是电压、功率和环境温度。 2.2 应用指南 a) 各种金属氧化膜电阻器在高频工作情况下, 阻值均会下降 (见元件相关详细规范) 。 b) 为保证电路长期工作的可靠性,设计应允许薄膜型电阻器有一定的阻值容差,金属膜电阻器为±2%,金属氧化膜电阻器为±4%,碳膜电阻器为±15%。 2.3 降额准则 3、电阻网络 3.1 概述 电阻网络装配密度高,各元件间的匹配性能和跟踪温度系数好,对时间、温度的稳定性好。 电阻网络降额的主要参数是功率、电压和环境温度。 3.2 应用指南 为保证电路长期工作的可靠性,设计中应允许电阻网络有±2%的阻值容差。 3.3 降额准则 4、线绕电阻器 4.1 概述 线绕电阻器分精密型与功率型。线绕电阻器具有可靠性高、稳定性好、无非线性,以及电流噪声、温度和电压系数小的优点。 线绕电阻器降额的主要参数是功率、电压和环境温度。 4.2 应用指南 a) 在 II 级降额应用条件下,不采用绕线直径小于 0.025mm 的电阻器。 b) 功率型线绕电阻器可以经受比稳态工作电压高得多的脉冲电压, 但在使用中应作相应的降额。见附录 D(参考件)。 c) 功率型线绕电阻器的额定功率与电阻器底部散热面积有关, 在降额设计中应考虑此因素。见附录 E(参考件)。 d) 为保证电路长期工作的可靠性,设计应允许线绕电阻器有一定的阻值容差:精密型线绕电阻器为 ±0.4%;功率型线绕电阻器为 ±1.5%。 4.3 降额准则 5、 热敏电阻器 5.1 概述 敏电阻器具有很高的电阻—温度系数(正或负的)。 敏电阻器降额的主要参数是额定功率和环境温度。 5.6.5.2 应用指南 a) 负温度系数型热敏电阻器,应采用限流电阻器,防止元件热失控。 b) 任何情况下,即使是短时间也不允许超过电阻器额定最大电流和功率。 c) 为保证电路长期可靠性的工作,设计应允许热敏电阻器阻值有±5%的容差。 4.3 降额准则 磁性器件的降额规范
电感 1 概述 电感元件包括各种线圈和变压器。电感元件降额的主要参数是工作电流、热点温度。 5.9.2 应用指南 a) 为防止绝缘击穿,线圈的绕组电压应维持在额定值。 b) 工作在低于其设计频率范围的电感元件会产生过热和可能的磁饱和, 使元件的工作寿命缩短,甚至导致线圈绝缘破坏。 功率电感器的额定电流有两种,它们之间的差异是什么呢? 两种额定电流 功率电感器的额定电流有'基于自我温度上升的额定电流'和'基于电感值的变化率的额定电流'两种决定方法,分别具有重要的意义。'基于自我温度上升的额定电流'是以元件的发热量为指标的额定电流规定,超出该范围使用时可能会导致元件破损及组件故障。 与此同时,'基于电感值的变化率的额定电流'是以电感值的下降程度为指标的额定电流规定,超出该范围使用时可能会由于纹波电流的增加而导致IC控制不稳定。此外,根据电感器的磁路构造的不同,磁饱和的倾向(即电感值的下降倾向)有所不同。图1是表示不同磁路构造所导致的电感值的变化的示意图。对于开磁路类型,随着直流电流的增加,到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值,但以规定电流值为境界电感值急剧下降。相反,闭磁路类型随着直流电流的增加,透磁率的数值逐渐减少,因此电感值缓慢下降。 功率电感规格书中对额定电流参数仅注明介质的饱和电流Isat值。 Isat与rms的区别Isat与Irms是我们工程人员常常会碰到的技术术语,但因有些客户的问题,时常将两者混淆,造成工程技术上的错误。Isat与Irms两者分别表示什么,中文又是指什么? Isat与Irms两者如何定义,它们与那些因素有关?我们在电感设计时,如何定义? 以下是以2520系列中的4.7uH叠层功率电感为例对比说明业界目前对电感器额定电流Irat、饱和电流Isat以及温升电流Irms标识状况。 降额选型时,我们选择两个额定电流中小的那个进行降额。 3 降额准则 电感元件的热点温度额定值与线圈线组的绝缘性能、工作电流、瞬态初始电流及介质 耐压有关。 注: 1) THS 为额定热点温度。 磁珠 磁珠主要用于EMI差模噪声抑制,他的直流阻抗很小,在高频下却有较高阻抗,一般说的600R是指100MHZ测试频率下的阻抗值。选择磁珠应考虑两方面:一是电路中噪声干扰的情况,二是需要通过的电流大小。要大概了解噪声的频率、强度,不同的磁珠的频率阻抗曲线是不同的,要选在噪声中心频率磁珠阻抗较高的那种。噪声干扰大的要选阻抗高一点的,但并不是阻抗越高越好,因为阻抗越高DCR也越高,对有用信号的衰减也越大。但一般也没有很明确的计算和选择的标准,主要看实际使用的效果,120R-600R之间都很常用。然后要看通过电流大小,如果用在电源线部分则要选额定电流较大的型号,用在信号线部分则一般额定电流要求不高。另外磁珠一般是阻抗越大额定电流越小。 在低频段,阻抗由电感的感抗构成,低频时R很小,磁芯的磁导率较高,因此电感量较大,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;并且这时磁芯的损耗较小,整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感,这种电感容易造成谐振因此在低频段,有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。 电容的降额规范非固体铝电解电容器降额规范 器件应力考核点:正向电压(浪涌电压);反向电压;纹波电流;预期寿命1 器件简述 非固体铝电解电容器的工作介质是在金属铝极箔表面用电解法生成的一层金属氧化物──三氧化二铝(Al2O3),之所以称为非固体,是因为铝电容器的负极是由液体(也称作电解液)充当的。铝电解电容器的结构图如下: 铝电解电容器结构图 从结构图可以看到,电容器的芯子是由一层正极箔,一层间隔纸(电解液就浸在间隔纸上,故也称作电解纸),一层负极箔,再一层间隔纸卷绕而成,正负极箔分别铆接上引线以连接到电路中。电容器芯子用铝外壳和橡胶塞密封后,再套上热缩套管,就构成了完整的电容器,热缩套管上已印刷了用以识别电容器的商标、额定电压、标准容量、容量误差、工作温度、厂家型号、负极标志等内容。 铝电解电容器在电路中主要起滤波、隔直、稳压的作用,实际制造出来的电容器在电路中使用时并不是理想的元件,含有ESR和ESL,其等效电路图如下:
2 器件常见失效模式及降额点选取说明 相对于其它阻容器件来讲,铝电解电容器因含有液体作负极材料,所以失效率相对较高,且有严格的寿命要求,这在设计选型时需考虑。铝电解常见的失效模式有:短路,开路,电参数性能劣化,防爆阀开裂,漏液。 从铝电解电容器应用过程中的失效原因看,主要有以下三种: ◆电应力引起的失效: ·过电压:电介质击穿,严重时会起火。 ·反压现象:严重时会爆炸起火。 ·纹波电流过大:内部温升过高,介质遭到破坏,电解液干涸,寿命缩短。 ◆ 热应力引起的失效 ·过高的环境温度,导致材料性能的蜕化或劣化,电解液挥发,寿命缩短。 ·不适当的焊接热冲击。 ◆ 机械应力引起的失效 ·引脚间距与PCB板间距不匹配造成外应力损伤。 ·冲击和震动造成的机械应力损伤。 ·单板加工时电容内部受伤。 综上所述,对铝电解电容器降额考核点主要有4个方面:正向电压(浪涌电压);反向电压;纹波电流;预期寿命。 3 器件应力限制 3.1 正向电压;浪涌电压 在I、II工作区最坏应力情况下,正向电压(I区),浪涌电压(II区)降额必须满足下表:
说明:1. 对于450V电压档次的铝电解,考虑到电压选型及成本、尺寸问题,在应用于PFC电路时,I工作区电压降额允许95%。 2. 计算电容器寿命时,应考核工作电压对寿命的影响,电压降额对寿命的影响系数如下:
寿命计算的具体方法见附件:《非固体铝电解电容器应力降额操作指导书》。 3.2 反向电压 在I、II工作区最坏应力情况下,施加在铝电解电容两端的反向电压必须满足下表:
3.3 纹波电流 允许实际工作纹波电流值超过手册规定的额定值,但必须限制在下表规定的范围内,同时应考核纹波电流对寿命的影响。即在满足寿命的前提下,允许纹波电流超过额定值使用。具体规定见下表:
说明:1.纹波电流额定值,是指厂家手册中规定的电容在最高工作环境温度下,频率为120Hz时的纹波电流有效值,如实际应用中有多个频率下的纹波电流,可转换成120Hz下的等效值。 2.在实际考核纹波电流时,如果: 2.2倍额定纹波电流≥实测纹波电流≥额定纹波电流, 加上有其它发热器件或强迫风冷影响,不能仅以纹波电流来计算温升,需测试电容器的芯子温升来考核电容器的寿命。 3.如果有多个电容器并联使用,测试应力最严重的那个电容的纹波电流作为考核依据。 3.4 预期寿命 当设备在规定的最高工作环境温度下满载运行,同时满足其他正常条件下(如按手册规定的安装方式、正常的输入、输出范围等),铝电解电容的预期寿命必须大于下列值:
注:1年=8760小时 铝电解电容的预期寿命主要与电容的工作环境温度、纹波电流(纹波电流发热引起的温升)以及工作电压有关。 钽电容降额规范
降额设计是使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值,从而达到降低基本故障率,保证系统可靠性的目的。降额设计是电子产品可靠性设计中的最常用的方法。 不同的电子元器件所要考虑的应力因素是不一样的,有的是电压,有的是电流,有的是温度,有的是频率,有的是振动等等。 对电容的耐压及频率特性,电阻的功率,电感的电流及频率特性,二极管、三极管、可控硅、运放、驱动器、门电路等器件的结电流、结温或扇出系数,电源的开关和主供电源线缆的耐电压/电流和耐温性能,信号线缆的频率特性,还有散热器、接插件、模块电源等器件的使用要求进行降额设计。通常,根据降额幅度的大小可分为一、二、三级降额,一级降额((实际承受应力)/(器件额定应力) < 50%的降额)在技术设计上最容易实现,降额的效果也最好,但存在成本过高的问题;二级降额(70%左右的降额)在技术设计上也比较容易实现,降额的效果也很好,并且成本适中;三级降额在技术实现上要仔细推敲,必要时要通过系统设计采取一些补偿措施,才能保证降额效果的实现,有一定难度,但三级降额的成本最低。一般说来,建议使用二级降额设计方法,在保证降额设计取得良好效果的同时,技术实现难度和成本都适中。对于涉及到频率特性的器件的降额要谨慎处理。 第一部分,我们已经发布了电阻、电容、电感的降额规范;第二部分,包含:二极管、三极管、MOS管、光电半导体(发光二极管) 二极管降额规范二极管按功能可分为普通、开关、稳压等类型二极管;按工作频率可分为低频、高频 二极管;按耗散功率(或电流)可分为小功率(小电流)大功率(大电流)二极管。所有 二极管需要降额的参数是基本相同的。 高温是对二极管破坏性最强的应力,所以对二极管的功率和结温必须进行降额;电压 击穿是导致二极管失效的另一主要因素,所以二极管的电压也需降额。
二极管最高结温的降额,根据二极管相关详细规范给出的最高结温T jmax而定,降额后的最高结温见表 注: 1、所有降额是在结温降额满足的情况下的要求。 2、参数额定值需要从datasheet中查询 3、如果参数额定值与温度、时间无关,可直接降额 4、如果参数额定值与温度有关,则选取结温最高时的参数进行降额 5、如果与时间有关,则通过查找datasheet对应的时间和温度曲线,根据实际情况进行降额。 三极管MOS管降额规范1 概述 晶体管按结构可分为双极型晶体管、场效应晶体管、单结晶体管等类型;按工作频率可分为低频晶体管和高频晶体管;按耗散功率可分为小功率晶体管和大功率晶体管(简称功率晶体管)。所有晶体管的降额参数是基本相同的,它们是电压、电流和功率。但对MOS 型场效应晶体管、功率晶体管的降额又有特殊的要求。 高温是对晶体管破坏性最强的应力,因此晶体管的功耗和结温须进行降额;电压击穿是导致晶体管失效的另一主要因素,所以其电压须降额。功率晶体管有二次击穿的现象,因此要对它的安全工作区进行降额。 2、注意事项 1 功率晶体管在遭受由于多次开关过程所致的温度变化冲击后会产生“热疲劳”失效。使用时要根据功率晶体管的相关详细规范要求限制壳温的最大变化值。 2 预计的瞬间电压峰值和工作电压峰值之和不得超过降额电压的限定值。 3 为保证电路长期可靠的工作,设计应允许晶体管主要参数的设计容差为: 电流放大系数:±15%(适用于已经筛选的晶体管)±30%(适用于未经筛选的晶体管) 漏电流: +200% 开关时间: +20% 饱和压降: +15%
晶体管最高结温的降额。 晶体管最高结温的降额,根据晶体管相关详细规范给出的最高结温Tjmax而定,降额后的最高结温见表 功率晶体管安全工作区的降额 半导体光电器件降额规范1 概述 半导体光电器件主要有三类:发光、光敏器件或两者的结合。发光类器件主要有发光 二极管、发光数码管;光敏类器件有光敏二极管、光敏三极管;常用的光电组合器件是光 电耦合器,它由发光二极管和光敏三极管组成。 高结温和结点高电压是半导体光电器件主要的破坏性应力,结温受结点电流或功率的 影响,所以对半导体光电器件的结温、电流或功率均需进行降额。 2 应用指南 1)发光二极管驱动电路必须限制电流,通常用一个串联的电阻来实现。 2)一般不应采用经半波或全波整流的交流正弦波电流作为发光二极管的驱动电流。 如果确要使用,则不允许其电流峰值超过发光二极管的最大直流允许值。 3)在整个寿命期内,驱动电路应允许光电耦合器电流传输比在降低 15%的情况下仍 能正常工作。 3 降额准则 半导体光电器件电压、电流见表。其中: a) 电压从额定值降额; b) 电流从额定值降额; 最高结温降额根据光电器件相关详细规范给出的最高结温 T jmax 而定。 TVS器件降额规范器件应力考核点:最大吸收电流IPM,最大吸收功率PPM,TVS平均功率PAV,钳位电压VC,被保护器件最大耐压VRA 1 产品保修期等级及产品I、II工作区、产品额定工作点简要说明 产品保修期等级:分为A、B两个等级,A级指保修期为2~3年,B级指保修期为1~2年。 I、II工作区: 产品的I工作区指产品“正常”工作区域,即产品手册所规定的输入/输出(环境温度/电压/电流/功率等)所允许变化的区域,是器件长期工作的区域。该区中的存在某一点(或区域),对应器件某项参数的最大应力,称为I区该项应力的最坏情况; II工作区指产品“异常”工作区域,即在开/关机、输入过/欠压保护、输出过压/过流保护、输入/负载跳变、风扇故障停转等“异常”工作情况器件短时间工作区域。在该区域中的某一点对应器件某项参数的最大应力,称为II区该项应力最坏情况。 2 器件应力限制 2.1 TVS最大吸收电流IPM 在正常使用条件及最坏应力情况下,TVS吸收的最大吸收电流降额必须满足下表:
上表中IP(TAU)为TVS的最大峰值电流对应实际壳温下的温度降额值, 当壳温TAU≤25℃时: IP(TAU)=IPPM IPPM为手册中规定TAU=25℃时的峰值电流 当壳温TA>25℃时: IP(TAU)=IPPM×[(TJM-TA)/(TJM-25)] TVS吸收电流降额值:DIP=IPM/IP(TAU)*100% 如TVS器件并联使用,则电流降额在上述基础上,再降额10%。 2.2 TVS最大吸收功率PPM 在正常使用条件及最坏应力情况下,TVS吸收的瞬时最大功率与额定功率的降额必须满足下表:
上表中PP(TAU)为TVS的额定峰值功率对应实际壳温TAU下的最大允许功率, 当壳温TAU≤25℃时: PP(TAU)=PPPM PPPM为手册中规定TAU=25℃时的峰值吸收功率 当壳温TAU>25℃时: PP(TAU)=PPPM*[(TJM -TAU)/(TJM -25)] TVS吸收功率降额值:DP=PPM/PP(TAU)*100% 如TVS串联或并联使用,则功率降额在上述降额的基础上,再降额10%。 2.3 TVS平均功率PAV 如TVS工作在连续状态或连续脉冲状态,则功率降额如下:
上表中PM(TAU)为TVS的最大平均功率对应实际壳温TAU下的温度降额值, 当壳温TAU≤25℃时: PM(TAU)=PM(AV) PM(AV)为手册中规定TAU=25℃时的额定平均功率 当壳温TAU>25℃时: PM(TAU)=PM(AV)*[(TJM -TAU)/(TJM -25)] TVS平均功率降额值:DPA=PAV/PM(TAU)*100% 2.4 TVS钳位电压VC TVS在实际电路中的钳位电压可以直接测出,也可以根据TVS吸收的电流计算得出: VC=VBR+(VCM-VBR)* IPM/IPPM VCM为TVS额定吸收电流条件下的钳位电压,VBR为TVS击穿电压,IPPM为额定吸收电流,IPM为实际吸收的最大电流。 2.5 被保护器件最大耐压VRA 在正常使用及最坏应力情况下,被保护器件的最大耐压VRA应大于TVS的钳位电压,TVS的钳位电压与被保护器件的最大耐压的降额关系必须满足下表:
被保护器件承受电压的降额值:DV=VC/VRA*100% 说明:TVS器件在某些特殊应用时如用于开关管的电压尖峰 |
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