2.2 降额

在电子产品设计阶段，避免元器件被激发失效机理、模拟测试、降额设计是提升电子产品可靠性的三个基础手段。其中，降额设计是最有效、简单、低成本的一种。本节将介绍电路系统中常用元器件的降额参数、降额系数、降额中常见的技术误区，以及与降额使用有关的设计规范。

降额后，即使应力适当超标，因为参数裕量较大，元器件也能承受。

降额设计已经成为、也应该成为电子工程师的一个设计习惯。但貌似简单的降额，却常会发生一些熟视无睹的错误，主要体现在如下方面。

① 降额参数选择得不对，该降的参数没降或降得不够，比如对功率元器件，结温是降额的关键点，而不是电压；同一类元器件，用在不同的电路里，起主导作用的参数可能是不一样的，如电容，用在储能时主导参数是容值和最大纹波电流，用在退耦时主导参数是自谐振频率点，用在安规时则是耐压。

② 同一个电路系统中，各元器件的降额不协调，如对所有元器件都取降额系数为0.5，薄膜电阻功率降额系数取0.5，属Ⅰ级降额；而线绕电位器功率降额系数取0.5，则属于Ⅲ级降额，因而会造成线绕电位器的降额裕量不足，薄膜电阻又降额过度。

③ 一个系统中的不同部分，根据安全性、可靠性、重要程度要求的不同，可以采用不同的降额等级，常规民用地面设备一般推荐选择Ⅲ级降额；而地面设备中的高可靠性元器件、组件、模块的降额可以取Ⅱ级降额。

④ 可调元器件降额幅度应大于定值元器件，如薄膜定值电阻功率Ⅲ级降额系数为0.7，相同工艺类型的薄膜电位器功率Ⅲ级降额系数为0.6。

⑤ 相同规格的单根金属导线，多匝应用场合时的降额幅度应大于单匝应用场合。

⑥ 对开关元器件，所带的负载属于不同类型时，降额参数和降额系数也会有所不同。如继电器的触点电流，在带电感负载时，继电器触点额定电流指标取Ⅲ级的降额系数为0.9；带电阻负载时，继电器触点额定电流指标取Ⅲ级的降额系数为0.5；带电机负载时，继电器触点额定电流Ⅲ级降额系数为0.9。

⑦ 对于MOSFET（或IGBT）功率开关管，当为感性负载时，因为断开瞬间电感反向电动势的作用，会导致在MOSFET开关管的DS两端（IGBT的CE两端）形成较高尖峰电压，因此感性负载时MOSFET的VDS（IGBT的VCE）电压需要重点降额，以避免高压击穿的风险；而当为容性负载的时候，在刚刚导通的瞬间，对电容近乎短路电流的充电，该电流会经过开关管，则需要重点关注功率开关管的导通电流指标进行降额。

⑧ 功能相同、但生产工艺不同的元器件，对同一参数指标的降额幅度也会不同，如钽电解电容和铝电解电容，其直流耐压指标的Ⅲ级降额系数分别是0.75（铝电解电容）和0.7 （钽电解电容）；膜式电阻与线绕电阻的功率指标Ⅲ级降额系数分别是0.7（膜式电阻）和0.6 （精密型线绕电阻）。

⑨ 对大规模IC和高集成度元器件，主要降额系数为结温。

⑩ 另外有些元器件的参数还不能降额，比如继电器的驱动线圈电流，如果降额，则导致驱动电流产生的电磁力下降，从而使继电器触点的吸合力度不够，抗振抗冲击性能变差；光学元器件降额后，会导致发光强度减弱，影响显示效果。

⑪元器件负载特性曲线也需要降额。

降额等级的分类为系统设计和设计管理提供了思路，在项目设计开始，针对系统整机的降额系数、各部分的组成，确定出适宜的降额等级，然后根据相关标准查找对应的降额系数。如果系统应用于特定行业，在设计上有特殊要求，如对煤矿井下设备的防爆要求，对手持设备的低功耗要求，对医疗设备的低漏电流要求，还有一些特殊要求的安规指标等，可以根据专标要求单独确定；对通用元器件没有专门安规技术要求的，推荐参考《GJB/Z 35元器件降额准则》标准的规定进行降额，尤其是关键部件、功率元器件、驱动执行机构元器件、易坏部件，其降额系数一定要给出明确的等级要求和参考值，不可仅仅依据经验来选择。

2.2.1 降额总则

1．定义

额定值：元器件允许的最大使用应力值。

应力：影响元器件失效率的电、热、机械、环境条件等负载。

降额因子：元器件工作应力与额定应力之比，又称为应力比。

电应力：元器件外加的电压、电流及功率等。

温度应力：指元器件所处工作环境的温度。

机械应力：指元器件所承受的直接负荷、压力、冲击、振动、碰撞和跌落等。

环境应力：指元器件所处工作环境条件下，温度以外的其他外界因素，如灰尘、温度、气压、盐雾、腐蚀等。

时间应力：指元器件承受应力时间的长短（承受应力时间越长，越易老化或失效）。

2．降额等级

通过降额设计，使元器件工作中所承受的应力低于其额定值，可达到延缓参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。降额设计有两大问题，一是分级，二是合理选择降额参数。

降额分三个等级（见表2-1），对于一台整机或一个独立的系统，其各组成部分的降额等级可以是不一样的。例如整机降额等级确定为Ⅲ级，对其中的重要关键部分及易失效部分，可以采用一个稍高的降额等级Ⅱ级，而其他部分为Ⅲ级。如小区监控系统，户内设备因为其工作环境条件较好，可以采用Ⅲ级降额，而户外摄像头中的电路可以采用Ⅱ级降额。

Ⅲ级降额最小，适用于故障对任务的完成影响很小的情况以及少量的维修。

降额的等级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，及对设备重量和尺寸的限制因素，综合权衡，确定其降额等级。常规地面民用设备一般推荐选取Ⅲ级降额即可。

元器件环境应力大小直接影响元器件的失效率，虽然降额考虑的主要因素是电应力和温度，但并不仅仅是主要性能指标才需要降额，需要结合使用条件环境进行分析，确定受应力条件影响最大的指标要素。如220V电源输入端的对地电容，耐压是降额的重点指标，但用在潮湿环境条件下，漏电流也是安规的一个关键指标。因此总结起来，降额要关注的主要技术点如下：

● 降额参数的基准要考虑电路稳态工作、瞬时过载、动态电应力等条件下的综合应力叠加；

● 电阻类主要是功率降额，对高压应用环境还需电压降额；

● 电容类主要是电压和功耗降额，有时考虑工作频率降额；

● 数字IC对带负载能力、应用频率降额；

● 线性与混合集成电路对工作电流或工作电压降额；

● 微波IC对功率和频率降额；

● 晶体管对工作电流、工作电压、功耗、频率降额；

● 普通二极管频率降额、开关二极管的工作峰值反向电压降额，变容二极管的击穿电压降额、可控硅的工作浪涌电流及正向工作电流降额；

● 继电器触点电流，按容性负载、感性负载及阻性负载等不同负载的性质，做出不同比例的降额，对容性负载要按电路接通时峰值电流进行降额；

● 电连接器对工作电流降额和工作电压降额，降额程度根据触件间隙大小及直流和交流电源而定；

● 开关元器件对开关功率和触点电流的降额；

● 电缆和导线对电流降额，高压电缆和导线对工作电压降额；

● 晶体晶振在保证功率的前提下，对驱动电压降额。

另外也有两个注意事项：

一是降额幅度并不是越大越好，各类元器件均有一个最佳降额范围（一般推荐经验值在40%～80%之间，此范围为一般元器件常用区间，仅供参考），在此范围内应力变化对其故障率的影响较大，较小的投入即可见到较大的可靠性收益。再继续降额，可靠性的提高很微小，甚至个别元器件还会因为降额过度而引入新的失效机理。典型案例如瓷片电容的低压失效，大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数，参数稳定性也会降低。

二是有些指标是不允许降额的，如继电器的吸合驱动线包电流，降额后会影响被吸合触点的可靠接触力大小；发光二极管、数码管电流与亮度成比例关系，降额会影响其发光的基本功能。

案例：家用空调的各部分，室内机与室外机，如何确定降额等级？

室外机和室内机的运行环境有所不同，维修的难度也不同，按照降额级别的判定标准，室内机的备失效不会造成人员和设备的伤亡破坏，故障设备可迅速经济地加以修复，符合Ⅲ级降额的要求；而室外机的环境条件较差，且室外机的工作电流大，一旦失效，设备损坏的风险和危害较大，外挂在室外，不易维修，因此宜选择Ⅱ级降额。

所以，推荐室内机Ⅲ级降额，室外机Ⅱ级降额。

2.2.2 电阻降额

根据电阻工艺的不同，会有不同的失效机理，降额时，需要侧重考虑易导致元器件失效的参数。常用的电阻有：薄膜电阻（常用于信号电路场合）、线绕电阻（温度特性较好，常用于功率电阻、精密电阻）、电位器、电阻排、热敏电阻等。

薄膜电阻有金属氧化膜和金属膜两种，高频特性好，电流噪声和非线性都较小，阻值范围宽，温度系数小，性能稳定，是使用较广泛的一类电阻器，降额参数是电压、功率和环境温度。

线绕电阻分精密型与功率型。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，降额的主要参数是功率、电压和环境温度。

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，降额参数是功率、电压和环境温度。

电位器的优点是可调，但对振动敏感。虽然可以通过在调节柱上涂抹固定胶来解决，但胶状粘接物与调节铜柱、电位器塑料外壳一起，会因对温度冲击敏感而导致粘接松动，从而在振动时引起转动位移，阻值容易漂移，振动场合下一般不推荐采用。

结合以上电阻的特点，以及最坏电路情况分析方法，在电阻设计选用计算时，需要针对不同工艺对其对应的参数进行计算，并留出余量。

案例1：某电阻用于电源系统，140V的电压场合，选择功耗1/8W、精度±5%、阻值200kΩ的电阻，选用时如何计算？

答：电阻工作电压140V，在电路启停或浪涌的时候，加在电阻上的瞬时电压极易超过140V。按照Ⅲ级降额的要求，电阻元器件的电压降额因子是0.75（见本章2.2.2小节），则140V/0.75=186V，选择耐压大于186V的电阻才符合要求，但此耐压值较难选，单通过选高耐压元器件不好实现，可以采用两个电阻串联的形式，改用两个约100 k的电阻串联，这样可以将电阻上的分压减到70V。

因此选型2个电阻串联使用，1/8W,±5%,100kΩ，耐压值＞70V/0.75=93V。

案例2：某电阻100Ω，用于电源系统，两端电压5 V，选择1/4 W, ±5%规格，是否满足降额要求？如不满足，如何改进？

答：电阻上通过的电流I=5V/100Ω=0.05A，所以电阻上的电功率P=0.05A×5V=0.25W=1/4 W，功率已达到电阻的临界点，此电阻的降额不满足要求。按照Ⅲ级降额的要求，功率降额系数为0.7，所以应选择功率不小于0.25W/0.7≈0.358W的100Ω的电阻。这是解决方法之一。

另有一个解决方法，就是采取两个200Ω电阻并联的方式，如图2-19所示。

R1和R2两个电阻上，各自通过的电流I=5V/200Ω=0.025A，每个电阻的功率P=0.025A×5V=0.125W=1/8W＜1/4W，按照Ⅲ级降额，应选择功率0.125W/0.7≈0.1786W的两个200Ω的电阻并联。

但是注意，这种计算方法是基于R1和R2的值均没有偏差的一种理想情况，实际上，这两个电阻的值都存在±5%范围的误差，因此最坏的情况会发生在当R1max=210Ω,R2min=190Ω或R2max=210Ω,R1min=190Ω时，以前者为例，R1//R2=99.75 Ω，通过并联电阻组的总电流I= 5 V/99.75 Ω=50 mA。在R2上，因为阻值不均衡的情况，通过的电流为I×R1max/（R1max+R2min）=50 mA×210/400=26.25mA。在R2上的功率则为P=5 V×26.25mA=0.131W，按照Ⅲ级降额准则，应选择功率不小于0.131 W/0.7≈0.187 W的两个200Ω的电阻并联。

由对比来看，按照理想电阻计算的结果和按照最大偏差电阻计算的结果有着实质上的差异，在实际降额计算中，宜按照后者来进行估算并确定元器件降额的最终参数指标，以避免任何因应力波动或元器件参数值偏差而导致的元器件故障隐患。

1．定值电阻降额

薄膜电阻、电阻排、线绕电阻的降额参数主要是电压、功率和温度，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级下的降额系数见表2-2、表2-3。

在元器件选型计算中，常对单一参数进行计算，但实际元器件，经常会有相互影响的关联指标。比如人的呼吸频率快了，单次呼吸的气量就会小，想要单次气量大，就得深呼吸，频率一定会减慢。同理，电子元器件的功率与工作温度也是一对这样相互影响的参数。两个参数相互影响的表征形式是负荷特性曲线。元器件负荷特性曲线降额示例如下。

图2-20所示为一精密电阻的负荷特性曲线，横轴是电阻工作环境的额定温度，纵轴是电阻上消耗功耗的百分数。

由图2-20可以看出，在超过70℃后，电阻上消耗电功率的大小就会按照一个斜率逐步递减。这个递减的斜率取决于电阻的散热能力。即使在绝大部分元器件的数据手册里，未给出这条明确的曲线，但一般最高温度Tmax、功率P、热阻R（单位℃/W，在热设计一章有详细讲解）的指标都会给出来，递减的斜率是热阻的倒数，由此就可以推导出这条负荷特性曲线。

负荷特性曲线的降额是先将功率降额（降额因子×元器件标称功率），然后对结温降额（按照目前国内一般采用《GJB/Z35元器件降额准则》的标准，按照对系统所设定的降额等级，确定电阻的降额等级（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级），在标准中找到对应该降额等级的结温降额因子，确定了降额之后的结温点，经过该结温点左斜向上画一条直线，该直线与原负荷特性曲线的下降段平行，最后与功率降额的水平线相交于一点，如图2-21中虚线部分。

在降额计算时，需要保证元器件长期工作状态下的静态工作点必须位于降额后负荷特性曲线的直角虚线梯形范围内（见图2-21）。

2．电位器降额计算

电位器是可调元器件，其降额系数与固定不可调电阻相比有所不同，主要体现在功率的降额上，见表2-4。

电位器降额的主要参数是电压、功率和环境温度。由于电位器部分接入负载，其功率的额定值应根据作用阻值按比例进行相应降额。随着大气压的减小，电位器可承受的最高工作电压也减小，使用时应按元件相关详细规范的要求进一步降额。

虽然也有具体的计算方法，但实际使用中，笔者并不建议使用电位器，一是机械可调元器件对振动敏感，二是抗功率过流能力差。

3．热敏电阻降额

热敏电阻的降额计算如见表2-5，环境温度的降额与其他种类电阻相比有所不同。

负温度系数型热敏电阻器，应采用限流电阻器，防止元器件热失控。

对热敏电阻，任何情况下，即使是很短的时间，也不允许超过电阻器额定最大电流和功率。

2.2.3 电容降额

电容直流耐压降额的计算，要求电容耐压×降额因子的计算结果，不得超过电路实际最高峰时的工作电压。

在高频电路中，通过电容的电流不应超过计算值，I是电流，单位为A; f是频率，单位为Hz。

电容直流耐压—温度的关系曲线与电阻类、晶体管类和IC类有所不同，其负荷特性曲线如图2-22所示。

例：某陶瓷电容1μF，两端电压48V，是否满足降额要求？如不满足，该如何改进？

答：按照Ⅲ级降额的标准，直流工作电压降额系数0.7，在48V的情况下，应选择不低于48V/0.7 = 68.57V耐压的电容。这是解决方法一。但一般电容的耐压规格是63V、100V，另有一个解决方法，就是采用两个2.2μF电容串联的方式，如图2-23所示。

这样，每个电容上可以分压为原来单个电容的1/2，选择63V耐压档就能满足要求。

但是注意，这种计算方法是基于C1和C2的值均没有偏差的一种理想情况，实际上，这两个电容都有±10%范围的误差，因此最坏的情况会发生在如下情况：

C1max=2.2 μF+10%=2.42 μF

C2min=2.2 μF-10%=1.98 μF

这种情况下，C1×U1=C2×U2，则C2上的分压：

U2=U×C1/（C1+C2）=48 V×2.42/4.4=26.4 V，

按照Ⅲ级降额，C2应选择耐压不低于26.4 V/0.7 = 37.71 V的电容。由以上计算可知，两个电容耐压选值均为63 V就可以满足要求。

但是，还有一个需要注意的问题，有些行业，如汽车、轨道交通（如高铁、地铁）、扶梯等，业内有强制认证——功能安全SIL。要求万一元器件发生单一故障，系统做出的反应必须保证系统安全（简单概括成一句：SFC OUTPUT SAFE）。甚至包括军工、医疗、核电等行业，虽然没有明确引入这个认证，但在实际设计质量评价中，也还是会有意地去执行这个判定标准。这里的安全包括三部分内容，即人的安全、设备自身的安全和互连设备的安全。该电容的应用场合如图2-24所示。

电容有一种常见的失效机理是短路，如果在两个串联电容中，有一个短路了，单靠另外一个的耐压，不足以支撑电源电压，也可能会继续发展成两个电容都出现故障。因此，这种电路情况下的电容，就应该设计成能够保证每一个电容都有独立承担电源电压的能力，而不至于在一个电容短路后，另一个也会被击穿。

另外，电容的误差一般都偏大，也因此导致电容分压的较大偏差，而电阻元器件可以做得较精密，通过并联精密电阻在电容两边（见图2-25）的方式，确保电容分压受控在电阻的分压范围内，通过电阻的精度来实现电容两端的分压精度。

1．固定电容器降额

固定电容器包括玻璃釉型、云母型、陶瓷型、纸介、塑料薄膜等类型，虽然工艺结构略有差别，但在降额要求方面具有共性，固定电容器降额系数见表2-6。

2．电解电容器降额

常用的电解电容器有铝电解电容和钽电解电容，因为工艺结构的特殊性（电解液和封装形式的差别），在降额系数上与其他类型的固定值电容也有所区别，见表2-7。

铝电解电容器不能承受低温度和低气压，因此只限于地面设备的使用。

使用中的电解电容器的直流电压与交流峰值电压之和不得超过降额后的直流工作电压，对有极性电容器，交流峰值电压应小于直流电压分量。

固体钽电容器的漏电流将随着电压和温度的增高而加大。这种情况下有可能导致漏电流的“雪崩现象”，从而使电容器失效。为防止这种现象的发生，在电路设计中应有不小于3Ω/V的等效串联阻抗。固体钽电容器不能在反向波动条件下工作。

非固体钽电容器在有极性的条件下不允许加反向电压。

2.2.4 集成电路降额

集成电路分模拟类和数字类两类，根据制造工艺的不同，又可分为双极型、MOS （CMOS）型以及混合集成电路。

集成电路芯片的电路单元小，导体截面电流密度很大，因此在有源结点上会存在高温，称之为结温。高结温Tj是对IC的最大破坏性应力。集成电路降额的主要目标是降低高温集中部分的温度，避免热损伤和高温下的快速老化。

中、小规模集成电路降温的主要参数是电压、电流或功率，以及结温。

大规模集成电路主要是需要降低结温。

在集成电路应用设计方面，为维持较低结温，可采取以下通用措施。

● 在能满足功能的前提下，元器件运行电功率尽可能小；

● 采用去耦电路，减少瞬态电流冲击；

● 元器件的实际工作频率低于元器件的额定频率，在工作频率与元器件额定频率接近时，功耗会迅速增加；

● 采用较好的散热措施，避免选用高热阻底座，IC与底座之间接触热阻较高的情况应加以避免。

为保证设备长期可靠的工作，对于集成电路，设计允许参数容差如下。

（1）模拟电路

● 电压增益：-25%（运算放大器）,-20%（其他）；

● 输入失调电压：+50%（低失调元器件可达300%）；

● 输入失调电流：+50%或+5 nA；

● 输入偏置电压：±1 mV（运算放大器和比较器）；

● 输出电压：±0.25%（电压调整器）；

● 负载调整率：±0.20%（电压调整器）。

（2）数字电路允许容差范围

● 输入反向漏电流：+100%；

● 扇出：-20%；

● 频率：-10%。

以下为分项分类IC降额参数和降额因子。

1．模拟集成电路降额

模拟集成电路在选取降额系数时，需要基于三个前提条件。

（1）降额的电源电压在降额后不小于推荐的正常工作电压；

（2）输入电压在任何情况下均不得超过电源电压；

（3）电压调整器的输入电压在一般情况下即为电源电压。

1）放大器降额

放大器降额系数见表2-8。

例：某型号运算放大器，参数如下，在电路设计应用中，要求Ⅰ级降额，对其参数应如何确定？

正电源电压：UCC=+22 V；

负电源电压：U EE=-22 V

输入差动电压：U ID=±20 V；

输出短路电流：IOS=20 mA

最高结温：Tjm=150℃；

总功率：Ptot=500 mW

热阻：θJC=160℃/W

答：根据表2-8中的Ⅰ级降额所对应的降额系数，初步计算出在元器件工作中，各参数应遵循的降额结果如下。

正电源电压：UCC=+15.4 V；

负电源电压：U EE=-15.4 V

输入差动电压：U ID=±12 V；

输出短路电流：IOS=14 mA

最高结温：Tjm=80℃；

总功率：Ptot=350 mW

热阻：θJC=160℃/W

根据模拟集成电路降额需要满足的前提条件，“降额参数选择基准的要求，输入电压在任何情况下均不得超过电源电压”，因此，输入差动电压U ID应在±15 V范围内。

为了使结温和功率同时满足表2-8所列的要求，还需要做一项设计检查，检查功率、结温、工作温度是否满足Ⅰ级降额后负荷特性曲线的限制要求。由元器件的参数推导出负荷特性曲线（见图2-26），横轴温度最高点是元器件允许的最高结温150℃，平行于Tc横轴的额定功率对应于额定功率值，斜线段的斜率是元器件热阻的倒数1/160（W/℃）。

按照图2-26中结温降额的要求，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级降额后的结温分别对应80℃、95℃、105℃，元器件的散热特性并不会因为降额而发生变化，因此斜线段的斜率仍然保持不变，通过解析几何的计算方式，可以分别求出三个降额等级下对应的转折点分别为24℃（Ⅰ级降额）、35℃（Ⅱ级降额）、41℃（Ⅲ级降额），在电路设计调试通过后，需要对此元器件的壳温做热测试，并根据壳温求导出结温，然后对照图2-26，确保元器件工作在Ⅰ级降额所对应的直角梯形区域内，如果没有在此区域内，则此元器件的设计未达到指标要求，需要进行反复设计。

2）比较器降额

比较器降额系数见表2-9。

3）电压调整器降额

电压调整器降额系数见表2-10。

4）模拟开关降额

模拟开关降额系数见表2-11。

2．数字电路降额

输出电流降额将使扇出减少，可能导致使用元器件的数量增加，反而使设备的预计可靠性下降。降额时应防止这种情况的发生。

1）双极性数字IC

双极型数字IC降额参数应遵循以下准则。

（1）在元器件数据手册上，一般都会给出电源电压的额定值容差，设计时以此容差为标准即可；

（2）频率从额定值降额；

（3）输出电流从额定值降额；

（4）结温降额给出了最高允许结温。

降额系数见表2-12。

2）MOS型数字电路

MOS型数字IC降额参数须遵循如下准则。

（1）电源电压从额定值降额，但电源电压降额后不应小于推荐的正常工作电压，且输入电压在任何情况下不得超过电源电压；

（2）输出电流从额定值降额，仅适用于缓冲器和触发器，从IOL的最大值降额。工作于粒子辐射环境的元器件需要进一步降额；

（3）频率从额定值降额；

（4）结温从元器件给出的最高允许结温降额。

MOS型数字电路降额系数见表2-13。

3．混合集成电路降额

首先，组成混合集成电路的元器件各部分，均应按本标准有关规定实施降额。

其次，混合集成电路基体上的互连线，根据工艺的不同，其功率密度及最高结温也应符合表2-14所列的要求。

4．大规模集成电路

大规模集成电路由于其功能和结构的特点，内部参数通常允许的变化范围很小，因此其降额应着重于改进封装和散热方式，以降低元器件的结温。

使用大规模集成电路时，在保证功能正常的前提下，应尽可能降低其输入电平、输出电流和工作频率。

5．集成电路通用降额准则

整个2.2.4小节给出了各种集成电路的降额参数、降额系数及允许的最高结温。以电参数的额定值乘以相应的降额系数，即可得到降额后的电参数值（另有说明的除外）。

得到降额参数值后，还需要计算相应电参数降额后的结温，如结温不能满足表中所示的最高结温降额要求，则需要对电参数进一步降额，以满足结温的降额要求。

2.2.5 分立半导体元件降额

1．晶体管

晶体管有很多种类型，但无论哪种类型，降额参数都基本相同，即电压、电流和功率。只有MOS型场效应晶体管、功率晶体管和微波晶体管的降额有些特殊要求。

高温与电压击穿对于晶体管来说是两个主要破坏性应力，因此功耗 / 结温、电压必须降额。

而功率晶体管有二次击穿的现象，因此要对其安全工作区进行降额；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。

晶体管在不同降额等级下的降额参数和降额因子见表2-15。

在表2-15中，晶体管反向电压从额定反向电压开始降额，电流从额定值开始降额，功率从额定功率开始降额。按照本章2.1.1小节中关于过渡过程的描述，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。

为保证电路可以长期可靠工作，设计应允许晶体管主要参数的设计容差如下。

● 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%

晶体管的降额以元器件参数的最大允许值乘以表2-15中的降额因子，计算出降额后允许的电压、电流和功率，得到这些参数后，还需要计算结温。如结温不能满足最高结温的降额要求，则需要将参数进一步降额，满足结温降额要求。

2．微波晶体管

微波晶体管降额系数表见表2-16。

3．二极管

二极管有很多种类型，按照功能分、按照频率分、按照功率分，都可以分成好多种，但有一点是共同的，就是都对高温、高压敏感，高温是对二极管破坏性最强的应力，其次是电压击穿，因此，二极管的功率（伴随着电流降额）、结温、电压必须降额（见表2-17）。

上表中，反向电压从反向峰值工作电压开始降额、电流从最大正向平均电流开始降额、功率从最大允许功率开始降额。

为保证电路可以长期可靠工作，设计应允许二极管主要参数的设计容差如下。

● 正向电压：±10%

● 稳定电压：±2%（适用于稳压二极管）

● 反向漏电流：+200%

● 恢复和开关时间：+20%

与晶体管相同，二极管也是以参数的最大允许值乘以表2-17中的降额因子，计算出降额后允许的电压、电流和功率，得出这些参数后，还需要计算结温。如结温不能满足最高结温的降额要求，则需要将参数进一步降额，以满足结温降额要求。

微波二极管和基准二极管降额参数及系数见表2-18。

4．可控硅

高温和电压击穿是对可控硅破坏性最强的两大应力，所以可控硅的额定平均通态电流、结温、电压必须降额。可控硅降额系数表见表2-19。

超过正向最大电压或反向阻断电压，会使元器件突发不应有的导通，应保证“断态”电压与瞬态电压最大值之和不超过额定的阻断电压。

可控硅电压从额定值降额、电流从额定平均通态电流降额；

为保证电路可以长期可靠工作，可控硅参数的设计容差如下。

● 控制极正向电压降：±10%

● 漏电流：+200%

● 开关时间：+20%

与晶体管相同，可控硅以参数最大允许值乘以表2-19中的降额因子，即得到降额后的允许电压、电流值，得出这些参数值后，还需要计算结温，如结温不能满足最高结温的降额要求，还需要进一步降额，以满足结温降额要求。

5．半导体光电元器件

半导体光电元器件有发光元器件（LED、数码管）、光敏元器件（光敏二极管、光敏三极管）、发光与光敏组合元器件（光耦）三类。

高结温和结点高电压是半导体光电元器件主要的破坏性应力，结温受结点电流或功率的影响，所以对半导体光电元器件的结温、电流或功率均需进行降额。降额系数见表2-20。

发光二极管驱动一般要通过串联的电阻来限制电流。

慎用半波或全波整流后的交流正弦波电流作为发光二极管的驱动电流，如果使用，则需要保证电流峰值不超过发光二极管的最大直流允许值。

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。

光电元器件的电压从额定值降额，电流从额定值降额，最高结温降额根据元器件规范给出的最高结温Tjm而定。

光电元器件也要以参数的最大允许值乘以表2-20中的降额因子，得到降额后的允许电压和电流值。得到这些参数后，还需要计算最高结温，如结温不能满足降额要求，还需要将参数进一步降额，以满足结温降额要求。

2.2.6 电感降额

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热点温度，降额参数和降额系数见表2-21。

为防止绝缘击穿，线圈的绕组电压应维持在额定值。

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，甚至导致线圈缘破坏。

绕组电压和工作频率是固定的，不能降额。

电感元件的热点温度值与线圈绕组的绝缘性能、工作电流、瞬态初始电流及介质耐压有关。电感元件的热点温度确定可用下述公式。

THS=TA+1.1×ΔT

式中

THS为热点温度，单位是℃；

T A为环境温度，单位是℃；

ΔT为温升，单位是℃；

ΔT可用直接测量法或电阻变化测定法得到。电阻变化测定法可用下述公式。

ΔT =((R-r)/r)(t+234.5)-(TAM-t)

式中，

ΔT为温升，单位是℃；

R为温度为（t+ΔT）时的线圈电阻，单位是Ω；

r为温度为t时的线圈电阻，单位是Ω；

t为规定的初始环境温度，单位是℃；

TAM为切断电源时的最高环境温度。

其中要求TAM与t的差值不应大于5℃。

测量状态：

● 变压器初级加额定电压，次级加额定负载；

● 线圈绕组加额定直流和交流电流。

2.2.7 继电器降额

继电器的主要参数是连续触点电流、线圈工作电压、线圈吸合/释放电压、振动和温度。降额参数和降额系数见表2-22。

切忌用触点并联方式来增加电流量。因为触点在吸合或释放瞬间并不同时通断，这样可能在一个触点上通过全部负载电流，使触点损坏。

电感负载断开的瞬间，电感抑制电流突变，抑制的方式是产生反向电动势，反向电动势加上源电压，会形成一个瞬间的高压，而恰在此时，继电器触点正处于断开的瞬间，在断开的两个触点之间，会产生一个很大的场强E=U/d（U为反向电动势+源电压之和，d为触点的间距），巨大的场强会击穿触点间的绝缘层，从而产生拉弧。高温的拉弧会严重伤害触点。一般的解决方法是在继电器触点两端并联阻容吸收回路或者钳位电路。

电容和白炽灯泡负载的开/关瞬间，其瞬态脉冲电流可比稳态电流大十倍，这种瞬态脉冲电流超过继电器的额定电流时，将严重损伤触点，大大降低继电器的工作寿命。因此应采取相应的防范措施。

继电器吸合 / 释放瞬时的触点电弧会引起金属迁移和氧化，使触点表面变得粗糙，进而出现接触不良或释放不开的问题，使用中应有消弧电路。

环境温度的升高，将使线圈电阻加大。为使继电器正常工作，需要有更大的线圈驱动功率。

2.2.8 开关降额

开关降额的主要参数是触点电流、电压和功率，降额系数表见表2-23。

开关触点可并联使用，但目的应仅为增加备份触点，不允许用这种方式达到增加触点电流量的目的。

在高阻抗电路中使用的开关，需要有足够大的绝缘电阻（大于1000 MΩ）。

低温引起的湿气冷凝可能使开关触点污染或短路，应注意开关使用所处环境中气压的变化对温度和湿度的影响。

案例：在某潮湿易腐蚀的场合，开关后带有电机负载，为保证触点的导通可靠性，采取了双开关机制，每个开关的触点电流为1 A，总开关电流为0.9 A，如图2-27所示，请判断下面的触点备份方式是否合理？如不合理，应如何改进？

答：本设备为恶劣条件下的执行机构驱动电路，根据其重要程度和应力条件，确定按照Ⅱ级降额。又因为其负载为电感负载，故电感上负载电流降额系数取0.75，因此，为保证输出的电流为0.9 A，须保证开关能提供的总电流不小于0.9 A/0.75 = 1.2 A。

从并联机制上看，单独的任何一个支路都不能满足1.2 A电流的需求，虽然双路开关同时导通的时候可以保证大于1.2A的需求，但因为开关动作在实际工作中并不能保证同时开启，因此不能期望双路开关的工作有效性和可靠性。

解决方案是选择额定电流不小于1.2 A的开关来代替现有开关。

2.2.9 功率开关元器件降额

在电子电路设计中的功率开关管，常用的有三种，即MOSFET、IGBT和功率三极管。因为其应用场合均为功率发热类环境，对热、高压击穿敏感。因此开关管需要降额的参数有耐压、电流、结温等。

不过，开关驱动类元器件的负载有感性、容性、阻性、电机负载、灯丝负载等多种，每种负载的电气特性都有很大差异。因此，开关功率元器件的降额还要受负载类型的影响。

大功率半导体开关元器件是在近些年逐渐发展起来的，在相关的降额技术标准里，还未有权威的降额数据可以作为参考。因此，宜从工程经验的角度，权衡产品所允许的故障发生概率，自行定夺给出一个降额数值来。不过，因为功率开关元器件属较高应力元器件，高温、高压、大电流，因此建议设计时的降额因子取值不大于0.7，而且重点要根据负载的不同，有针对性地降额或加防护电路，以减轻功率开关元器件的工作压力。

元器件的标称参数值乘以降额因子（一般不大于0.7），得到降额后的允许工作电压和电流值。尤其应注意在元器件实际工作中（导通、关断的过渡过程中），瞬间冲击电压、冲击电流不得超过元器件降额使用后的允许工作电压、电流值，以免造成对功率开关元器件的损坏。这种应力主要是导通过程中的瞬间上电冲击电流（开关管接容性负载）、断开过程中的瞬间反向电压（开关管接感性负载，由感性负载产生反向电动势）。

电流电压参数确定后，还需要计算最高结温，如结温不能满足降额要求，还需要将参数进一步降额，以满足结温降额要求。（功率开关管的降额、选型计算较为复杂，详情请参考本书第4章功率开关管选型计算的内容）。

2.2.10 连接器降额

电连接器包括普通线路板连接器、板—板连接器、线—线连接器和同轴电连接器等。影响电连接器可靠性的主要因素有插针/孔材料、接点电流、有源接点数目、插拨次数和工作环境条件。电连接器降额的主要参数是工作电压、工作电流和最高接触对额定温度。其降额系数见表2-24。

电连接器接触对并联使用时，每个接触对按降额系数对电流降额后的基础上，需再增加25%余量的接触对数。

电连接器有源接点数目过大（如大于100），应采用接点总数相同的两个电连接器，这样可以增加可靠性。

在低气压下使用的电连接器应进一步降额，防止电弧对电连接器的损伤。

例：连接器上过2 A电流，采用额定电流1 A的接触对，Ⅱ级降额时，需要用几个接触对？

答：按照表2-24, Ⅱ级降额，电流降额系数取0.7,2 A/0.7 = 3个接触对，3×（1+25%）= 3.75，所以，需要在3个接触对的基础上再增加1个接触对（0.75取整），即4个接触对并联。

2.2.11 导线与电缆降额

导线与电缆主要有三种类型：同轴（射频）电缆、多股电缆和导线。影响电线与电缆可靠性的主要因素是导线间的绝缘和电流所引起的温升。降额的主要参数是最大应用电压（见表2-25）和最大应用电流。

不同规格导线所对应的最大应用电流见表2-26（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级降额均执行此要求）。

本表格降额仅适用于绝缘导线的额定温度为200℃的情况，对绝缘导线额定温度为150℃、135℃和105℃的情况，应在上表所示基础上分别再降额0.8、0.7和0.5。

对成束电缆，导线间绝缘和电流容易引起升温，因此，导线成束时，每一根导线设计Imax应按公式（2.4）计算降额。

或

式中，

Ibw为束导线中每根导线的最大电流，单位为A；

Isw为单独一根导线的最大电流，单位为A；

N为一束导线的线数。

2.2.12 保险丝降额

保险丝有正常响应、延时、快动作和电流限制四种类型，降额的主要参数是电流额定值，见表2-27。

电路电压不得超过保险丝的额定工作电压，以防止断路时产生电弧。

环境温度的变化会使保险丝的额定电流值发生变化，通常随着温度的增高，保险丝额定电流值降低。

强振动和冲击可能使保险丝断路。

例：当在通过1A电流，环境温度为40℃的情况下，要求Ⅲ级降额，保险丝应选择何规格？

答：按照设计条件要求和表2-27中的降额系数，取电流降额系数为0.5，另外，在25℃以上时，每增加1℃，降额的程度增加0.005倍，即最后的降额系数为：0.5-(40-25)×0.005 = 0.425。

所以，1A/0.425≈2.353A，应选择最接近于2.353A的保险丝。

2.2.13 晶体降额

晶体的尺寸与它的工作频率有关，为了保持温度的稳定，有时晶体备有恒温槽，称之为恒温晶振。晶体降额的主要参数是驱动功率和工作温度，见表2-28。

高温、高湿环境易影响晶体的频率及其稳定性。

冲击和振动环境可能使易碎的晶体破损，尺寸较大的晶体工作频率亦可能因此而下降。

驱动电压过高可能使晶体承受的机械力超过它的弹性限而破碎。

晶体的驱动功率不能降额，因为它直接影响晶体的额定频率。

晶体的工作温度须保持在规定的限值范围内，以保证达到额定的工作频率。具体工作温度范围为：比最低额定温度高10℃，比最高额定温度低10℃。

2.2.14 电机降额

电机包括交流电机和直流电机，其中交流电机又分为同步电机和异步电机。其降额的主要参数是温度和负载，见表2-29。

温度是影响电机寿命的最主要因素，温度过高会使绕组绝缘失效；温度过低可能使轴承失效。合适的工作环境温度范围为0～30℃。

潮湿和污染易使绕组绝缘性能下降，产生低阻电泄漏。

电机负载和转速影响其效率和工作寿命。过载或低速运转可能在绕组中产生高温和轴承过载。

2.2.15 降额设计补充规范与案例

在以上各分类元器件的降额设计之后，需要重点关注下降结温的设计准则，因为元器件的电应力损伤以热损伤为主，避免热伤害，是电子元器件降额设计的一个关键项目。设计规范如下。

① 元器件能满足功能要求下，设计成最小功率；

② 采用去耦电路减少瞬态电流冲击；

③ 元器件实际工作频率低于元器件的额定频率，工作频率接近额定频率时，功耗会迅速增加；

④ 热传递良好，保证与封装底座间的低热阻。

降额后，需要计算相应电参数降额后的结温，如结温不能满足降额系数表的最高结温要求，电参数则需要进一步降额，使结温、电参数均能满足要求。

降额参数最坏条件准则：应用中的参数值最坏情况或最坏组合情况下的数值不得超过降额后的参数值要求。如预计的瞬间电压峰值和工作电压峰值之和不得超过降额后电压的限定值。

例：最大电压、最大电流情况下，得出实际需求的最大极限功率为A。

元器件的额定功率为B，取降额系数为0.8，则A＜0.8×B。

例：某低压电器控制器产品，应用环境的温度上限为65℃，请问CPU选用ATmega128L—16AC是否可行？

答：不可行。

因为环境温度上限为65℃，工作中，实际机箱内温度会更高一点，很容易突破70℃的限度，温度余量不足。

从元器件型号上来看，“L”表示电压工作范围为2.7～5.5V,“16”表示最高功率为16M的系统时钟，“A”表示TQFP封装；“C”代表商业级，若为“U”则表示工业级无铅，“I”代表工业级含铅。

本元器件为商业级，温度范围为0～70℃（工业级-40～85℃、汽车级-40～120℃、军工级-55～150℃），因此5℃的裕量不足。在做设计时，物料选型要注意这些方面；在文件归档时，要在外购件规格书上，检验细则标明，注意检查这一点；在采购时则要注意鉴别这些标识。

例：某晶体管在电路中，计算实际功耗为0.8W（20～25℃），选用额定功率为1W的元器件，使用中频繁发生故障。

分析原因：该元器件额定功耗1W时的环境温度为25℃，而实际工作环境温度为60℃，按照负荷特性曲线，此时实际功耗最大不允许超过0.6W，选用同参数功率为2W的晶体管，降额系数为0.5，产品故障得到解决。