降额设计的基本概念

降额设计的基本概念

1. 降额设计的理论基础

电子元器件的基本失效率取决于工作应力（包括工作电压、反向电压、电流、功率、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等）。极少数低应力失效的元器件除外，大部分的电子元器件均表现为工作应力越高，失效率越高的特性。

常见术语：

降额（derating）：元器件使用中承受的应力低于其额定值，以达到延缓其参数退化，提高使用可靠性的目的。通常用应力比和环境温度来表示。

额定值（rating）：元器件允许的最大使用应力值。

应力（stress）：影响元器件失效的电、热、机械等负载。

应力比（stress ratio）：元器件工作应力与元器件额定应力之比。应力比又称为降额因子。

2. 降额设计的目的

降额设计就是要使元器件或设备工作时承受的工作应力适当低于元器件或设备规定的额定值，从而达到降低故障率、提高使用可靠性的目的。

电子产品和机械产品都应做适当的降额设计，因为电子产品的可靠性对其电应力和温度应力敏感，故降额设计技术对电子产品的设计显得尤为重要，成为可靠性设计中必不可少的组成成分。

3. 元器件降额范围的控制

对于各类电子元器件，都有其最佳的降额范围，在此范围内工作应力的变化对其失效率有较明显的影响，在设计上也较容易实现，而且不会在设备体积、重量和成本方面付出过大的代价。过度的降额并无益处，会使元器件的特性发生变化或导致元器件数量不必要的增加或无法找到适合的元器件，反而对设备的正常工作和可靠性不利。

4. 元器件的降额原则

l 在额定参数条件下降额

l 每个单项指标都要考虑降额

l 功率降额优先考虑

l 感性负载重点考虑

l 温度降额全面考虑

5. 降额幅度可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级降额

Ⅰ级降额（实际承受应力）：器件额定应力<50%的降额，在技术上最容易实现，降额效果也最好，但存在成本过高的问题；

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；对设备有高可靠性要求，且采用新技术、新工艺的设计；由于费用和技术原因，设备失效后无法或不宜维修；系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。

Ⅱ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；

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备的损坏；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。

Ⅲ级降额在技术上实现要仔细推敲，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，所以说有一定的难度，但三级降额的成本最低。

Ⅲ级降额适用于下述情况：设备的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；故障设备可迅速、经济地加以修复；对设备的尺寸、重量无大的限制。

6. 元器件降额系数

不同的元器件降额标准亦不同， 实践表明。大部分的电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力。

7. 集成电路的降额

大规模集成电路实际上是一个完成独立功能的小系统，为保证其正常工作，其内部参数通常允许工作范围很小，因此应着重于通过改进散热条件以降低器件的结温，使之低于相对应工艺器件的建议值，同时在功能充许的条件下，努力减少电路的输出负荷，降低其工作频率以减少功耗。

8. 注意事项

必须根据产品可靠性选用适合质量等级的元器件，不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题。

元器件降额详细要求可以参考《GJB/Z 35-93 元器件降额准则》