功放器件降额设计规范培训

1、目录目录133 23 41、电子产品的降额设计：、电子产品的降额设计： 就是使元器件或设备在使用中所承受的应力（电、热、和机械应力等）就是使元器件或设备在使用中所承受的应力（电、热、和机械应力等） 低低 用中所承受的应力（电、热、和机械应力等）低于其额定值的方法。用中所承受的应力（电、热、和机械应力等）低于其额定值的方法。2、降额设计的目的：、降额设计的目的：通过限制元器件所承受的应力，使元器件在低于额定值情况下工作，降通过限制元器件所承受的应力，使元器件在低于额定值情况下工作，降低元器件失效率，提高使用可靠性；低元器件失效率，提高使用可靠性；若元器件一直工作在额定应力值下，其性能退化速率较快

2、，因此降额使若元器件一直工作在额定应力值下，其性能退化速率较快，因此降额使用有利于延缓和减小性能退化；用有利于延缓和减小性能退化；使得设计具有一定安全余量，提高系统的可靠性。使得设计具有一定安全余量，提高系统的可靠性。3、降额等级要求降额等级要求：级降额级降额 ：级是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败级是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失情况时的降额设计。它是保证设备可靠性所必须的最大降额。和造成严重经济损失情况时的降额设计。它是保证设备可靠性所必须的最大降额。若采用比它还大的降额，不但设备的可靠性不会再增长多少，而且设计上是难以若采用比它

3、还大的降额，不但设备的可靠性不会再增长多少，而且设计上是难以接受的。接受的。级降额：级降额：级降额是中等降额，适用于设备故障将会使工作任务降级和发生不级降额是中等降额，适用于设备故障将会使工作任务降级和发生不合理的维修费用情况的设备设计。这级降额仍在降低工作应力可对设备可靠性增合理的维修费用情况的设备设计。这级降额仍在降低工作应力可对设备可靠性增长有明显作用的范围内，它比长有明显作用的范围内，它比级降额易于实现。级降额易于实现。 级降额：级降额：级降额是最小的降额，适用于设备故障只对任务完成有小的影响和级降额是最小的降额，适用于设备故障只对任务完成有小的影响和可经济的修复设备的情况。这级降额可

4、靠性增度效果最大，设计上也不会有什么可经济的修复设备的情况。这级降额可靠性增度效果最大，设计上也不会有什么困难。困难。 降额设计的基本方法：降额设计的基本方法：1、修改电路设计（裕度设计、热设计）、修改电路设计（裕度设计、热设计）使元器件所承受的应力降低使元器件所承受的应力降低 需要整体考虑、综合权衡；需要整体考虑、综合权衡；恰当地选用元器件品种、规格恰当地选用元器件品种、规格使得所选元器件的额定值高于工作中使得所选元器件的额定值高于工作中要承受的应力要承受的应力需要考虑费用、尺寸、重量的约束。需要考虑费用、尺寸、重量的约束。2、根据可靠性预计手册的计算公式、根据可靠性预计手册的计算公式p=b

5、 p=b * *Q Q * *T T * *E E 失效数失效数/1000000/1000000小时小时式中各个参数含义如下：式中各个参数含义如下：- - 失效率。指元器件在实际运用状态下工作时的失效率，也称为现场失效率。失效率。指元器件在实际运用状态下工作时的失效率，也称为现场失效率。b b - - 基本失效率；指元器件在额定条件下工作时的失效率，也称为额定失效率或通用失效率。基本失效率；指元器件在额定条件下工作时的失效率，也称为额定失效率或通用失效率。Q Q - - 质量系数；质量系数；T T - - 温度应力系数；温度应力系数；T T=exp-19251/=exp-19251/（TJun

6、ction+273TJunction+273）-1/298-1/298E E - - 环境系数。环境系数。降额设计的基本方法：降额设计的基本方法：3 3、降额设计的工作内容：、降额设计的工作内容： 是要确定设备元器件应采用的是要确定设备元器件应采用的降额等级降额等级、降额参数降额参数和和降额因子降额因子。 降额等级降额等级表示设备中元器件降额的不同范围；表示设备中元器件降额的不同范围； 降额参数降额参数是指设备中影响元器件失效率的元器件应力参数和环境应力参数；是指设备中影响元器件失效率的元器件应力参数和环境应力参数； 降额因子降额因子( (降额系数降额系数) )是指元器件工作应力与额定应力之比

7、，一般用符号是指元器件工作应力与额定应力之比，一般用符号S S来表示。来表示。4 4、各类电子元器件都有最佳的降额范围（参见、各类电子元器件都有最佳的降额范围（参见GJB/Z35GJB/Z35），在此范围内工作应力），在此范围内工作应力 的变化对其失效率有明显的影响，在设计上也较容易实现，且不会在设备体积、的变化对其失效率有明显的影响，在设计上也较容易实现，且不会在设备体积、重量方面付出过大代价。重量方面付出过大代价。5 5、元器件的降额量值允许做适量调整，但对关键元器件要保证规定的降额量值。、元器件的降额量值允许做适量调整，但对关键元器件要保证规定的降额量值。降额设计的基本方法：降额设计的基

8、本方法：6 6、降额设计注意事项：、降额设计注意事项： 不能过度降额：不能过度降额：过度的降额会使效益下降，系统过度的降额会使效益下降，系统( (设备设备) )重量、体积和成本增重量、体积和成本增加，有时还会使某些元器件重量、体积和成本增加，有时还会使某些元器件工作加，有时还会使某些元器件重量、体积和成本增加，有时还会使某些元器件工作不正常。如大功率晶体管在小电流下，会大大降低放大系数且参数稳定性降低。不正常。如大功率晶体管在小电流下，会大大降低放大系数且参数稳定性降低。不能采用降额补偿的方法不能采用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题；解决低质量元器件的使用问题；不能不降额设计：不能不降

9、额设计：由于采用了高质量等级的元器件，而不进行降额设计；由于采用了高质量等级的元器件，而不进行降额设计；不应将相关标准所推荐的降额量值绝对化不应将相关标准所推荐的降额量值绝对化，降额是多方面因素综合分析的结果。，降额是多方面因素综合分析的结果。器件的关键降额参数元器件类别元器件类别降额参数降额参数模拟模拟ICIC放大器、比较器、放大器、比较器、模拟开关模拟开关电源电压、输入电压、输出电流、功率、最电源电压、输入电压、输出电流、功率、最高结温高结温电压调整器电压调整器电源电压、输入电压、输入输出电压差、输电源电压、输入电压、输入输出电压差、输出电流、功率、最高结温出电流、功率、最高结温数字数字I

10、CIC双极型双极型频率、输出电流、最高结温频率、输出电流、最高结温MOSMOS型型电源电压、输出电流、频率、最高结温电源电压、输出电流、频率、最高结温晶体管晶体管反向电压、功率、最高结温反向电压、功率、最高结温关键降额参数：关键降额参数：元器件类别元器件类别降额参数降额参数LDMOSLDMOS管管栅源电压、电流、最高结温栅源电压、电流、最高结温(陶瓷陶瓷)、最高结温、最高结温(塑封塑封)二极管二极管反向电压、电流、功率、最高结温反向电压、电流、功率、最高结温电阻器、电位器电阻器、电位器功率功率电容电容器器陶瓷、铝电解、陶瓷、铝电解、钽电解钽电解直流工作电压、环境温度直流工作电压、环境温度电感电

11、感工作温度、工作电流工作温度、工作电流电连接器电连接器工作电压工作电压(DC或或AC)、工作电流、温度、工作电流、温度声表滤波器声表滤波器输入功率输入功率隔离器隔离器正向功率、反射功率正向功率、反射功率开关电源模块开关电源模块输出电流、壳温输出电流、壳温器件的关键降额参数关键降额参数：关键降额参数：降额因子与应力比关系：降额因子与应力比关系： 上述各类元器件的关键降额参数，可以用作可靠性预计中元器件应力分析上述各类元器件的关键降额参数，可以用作可靠性预计中元器件应力分析法的应力比参数；法的应力比参数； 降额因子的选取有一个最佳范围，一般应力比降额因子的选取有一个最佳范围，一般应力比0.50.5

12、0.90.9。这个范围内，基。这个范围内，基本失效率下降很多，但是一旦超出这个范围，元器件失效率的下降很小；本失效率下降很多，但是一旦超出这个范围，元器件失效率的下降很小； 随降额因子的变化，元器件失效率相应变化。当降额因子从随降额因子的变化，元器件失效率相应变化。当降额因子从0.90.9变化到变变化到变化到化到0.10.1时，基本失效率是连续下降的。对于相同应力比时，基本失效率是连续下降的。对于相同应力比S S，工作环境温度的下，工作环境温度的下降也可以使基本失效率降下来。降也可以使基本失效率降下来。关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电阻器电阻器l降额主要应力参数是热点温度降额主要

13、应力参数是热点温度(功耗温度和环境温度功耗温度和环境温度)；l电压高会影响电阻体失效；电压高会影响电阻体失效；l金属膜电阻器和线绕电阻器在低气压条件下工作，要作进一步降额；金属膜电阻器和线绕电阻器在低气压条件下工作，要作进一步降额；l合成型电阻器在潮湿环境下使用不宜过度降额，否则潮气不能挥发将可合成型电阻器在潮湿环境下使用不宜过度降额，否则潮气不能挥发将可能使电阻器变质失效；能使电阻器变质失效；l主要降额参数是功率和环境温度。主要降额参数是功率和环境温度。关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电阻器电阻器贴片电阻的封装与功率、电压关系如下表：贴片电阻的封装与功率、电压关系如下表：封装封装

14、额定功率额定功率(W) (W) 7070C C最高工作电最高工作电压压(V)(V)工作温度工作温度( (C)C)英制英制(inch)(inch)公制公制(mm)(mm)常规功率系列常规功率系列0100501005040204021/321/321515-55-55 +125+12502010201060306031/201/20252504020402100510051/161/165050-55-55 +155+15506030603160816081/101/10505008050805201220121/81/815015012061206321632161/41/42002001210

15、1210322532251/41/4200200-55-55 +125+125关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电阻器电阻器注：电压注：电压=功率功率x x电阻值电阻值(P=V2/R) (P=V2/R) 或最大工作电压两者中的较小值或最大工作电压两者中的较小值图图1 (-551 (-55+125)+125)功率及环境温度降额曲线图功率及环境温度降额曲线图关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电阻器电阻器注：电压注：电压=功率功率x x电阻值电阻值(P=V2/R) (P=V2/R) 或最大工作电压两者中的较小值或最大工作电压两者中的较小值注意事项：注意事项： 1)1)设计和使用贴

16、片电阻设计和使用贴片电阻 时，最大功率不能超过其额定功率，否则会降低其可靠性。时，最大功率不能超过其额定功率，否则会降低其可靠性。 2)2)一般按额定功率的一般按额定功率的 70%70%降额设计使用。降额设计使用。 3)3)也不能超过其最大工也不能超过其最大工 作电压，否则有击穿的危险。作电压，否则有击穿的危险。 4)4)一般按最高工作电压一般按最高工作电压 的的75%75%降额设计使用。降额设计使用。 5)5)当环境温度超过当环境温度超过 7070C C，必须按照降额曲线图，必须按照降额曲线图( (图图1)1)降额使用。降额使用。关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电容器电容器l电压

17、影响电容器寿命，越接近额定电压时影响越大；电压影响电容器寿命，越接近额定电压时影响越大；l降额的直流电压值降额的直流电压值=直流电压直流电压+交流峰值电压；电压与寿命有五次幂关系，交流峰值电压；电压与寿命有五次幂关系，电压减一半，寿命可增至电压减一半，寿命可增至32倍；倍；l环境温度影响电容器的使用寿命、电容量、绝缘电阻、介电强度和器件环境温度影响电容器的使用寿命、电容量、绝缘电阻、介电强度和器件的密封等。电容器温度的密封等。电容器温度=环境温度环境温度+交流负载引起外壳温升。在某温度范交流负载引起外壳温升。在某温度范围内，电容器温度降低电容器温度降低围内，电容器温度降低电容器温度降低10，元

18、件寿命增加，元件寿命增加1倍；倍；l主要降额参数是直流电压值和环境温度。主要降额参数是直流电压值和环境温度。关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电容器电容器钽电容：钽电容：1、常温电压降额、常温电压降额50%，恶劣场景下，恶劣场景下，65度左右要降低到度左右要降低到30%，但不能为了降额，但不能为了降额而选择高压及大容量钽电容（额定电压大于而选择高压及大容量钽电容（额定电压大于25V或容量大于或容量大于100UF）；）；2、不能用于电流、不能用于电流变化过大的场合；变化过大的场合；3、多电容并联个数不要太多，并联个数要少于、多电容并联个数不要太多，并联个数要少于30个，如果超过需要个，

19、如果超过需要电感等器件隔离；太多钽电容并联会导致回路阻抗太低，一旦有电压波动，电感等器件隔离；太多钽电容并联会导致回路阻抗太低，一旦有电压波动，di/dt很大，很大，影响钽电容内部绝缘介质修复，导致短路失效；温度降额，影响钽电容内部绝缘介质修复，导致短路失效；温度降额，Tmax-20度；度；铝电容：铝电容：1）使用电压至少降额至额定电压的）使用电压至少降额至额定电压的80%；2）不用用于极低温场景，如低于）不用用于极低温场景，如低于-25度环境；温度降额，度环境；温度降额，Tmax-20度；度；陶瓷电容：陶瓷电容：降额降额80%；温度降额，；温度降额，Tmax-10度；度；关键器件参数降额要求

20、：关键器件参数降额要求：l电容器的几个案例电容器的几个案例钽电容降额钽电容降额陶瓷电容开裂陶瓷电容开裂电解电容寿命电解电容寿命关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电感器电感器l对电感元件工作可靠性影响主要应力参数是它的热点温度。热点温度是对电感元件工作可靠性影响主要应力参数是它的热点温度。热点温度是与电感元件绕组的绝缘性能、工作电流、瞬态冲击电流和介质耐压有关，与电感元件绕组的绝缘性能、工作电流、瞬态冲击电流和介质耐压有关，故对这些参数进行降额；故对这些参数进行降额；l电感元件一般电压和工作频率是固定的，不能对它们降额来提高可靠性，电感元件一般电压和工作频率是固定的，不能对它们降额来提

21、高可靠性，否则影响性能。否则影响性能。l为防止绝缘击穿，除扼流圈外，绕阻额定电压不能降额；为防止绝缘击穿，除扼流圈外，绕阻额定电压不能降额；l主要降额参数是热点温度、工作电流、瞬态电压主要降额参数是热点温度、工作电流、瞬态电压/电流、介质耐压和额定电流、介质耐压和额定电压。电压。关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电感器电感器l温度降额，贴片型长期工作温度不超过温度降额，贴片型长期工作温度不超过30度，插装型不超过度，插装型不超过40度；度；l电流降额推荐电流降额推荐80%；电感存在直流电阻（；电感存在直流电阻（DCR），在低压大电流滤波电路中，应），在低压大电流滤波电路中，应保证电感

22、上的压降不影响后端器件的正常工作；保证电感上的压降不影响后端器件的正常工作；磁珠磁珠l耗能元件，在低频下，磁珠只有很小的直流阻抗，随频率增加，阻抗迅速增加，耗能元件，在低频下，磁珠只有很小的直流阻抗，随频率增加，阻抗迅速增加，100MHz左右通常最大，表现为对高频信号的强烈吸收并转化为热能，因此磁珠主左右通常最大，表现为对高频信号的强烈吸收并转化为热能，因此磁珠主要用于高频滤波、要用于高频滤波、EMI抑制，电流降额至额定电流的抑制，电流降额至额定电流的90%；关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：机械开关机械开关l开关触点通过的电流情况，会严重影响长期工作的开关的接触可靠性；开关触点通过

23、的电流情况，会严重影响长期工作的开关的接触可靠性；l开关通过电压大小，主要影响开关的绝缘；开关通过电压大小，主要影响开关的绝缘；l开关触点可并联工作，但不要通过触点并联作为降额办法；开关触点可并联工作，但不要通过触点并联作为降额办法；l开关降额参数是触点电流、电压和功率。开关降额参数是触点电流、电压和功率。关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：集成集成ICl大规模集成电路由于其功能和结构的特点，器件内部参数允许变化小，大规模集成电路由于其功能和结构的特点，器件内部参数允许变化小，因此降额应着重于改进封装散热方式，以降低器件的结温；因此降额应着重于改进封装散热方式，以降低器件的结温；l在保

24、证器件正常工作下，应尽可能降低输入电平、输出电流和工作频率；在保证器件正常工作下，应尽可能降低输入电平、输出电流和工作频率；降额参数是结温。降额参数是结温。关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：晶振：晶振：应用环境优于器件宣称工作极限温度应用环境优于器件宣称工作极限温度10度，如器件宣称工作温度度，如器件宣称工作温度070度，实际应用环境应该为度，实际应用环境应该为1060度；度；双极型普通三极管：双极型普通三极管：关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：场效应管：场效应管：关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电源电路器件电源电路器件1 1）输出电流较大时选择多相的同步整流的

25、开关芯片；）输出电流较大时选择多相的同步整流的开关芯片；2 2）ESR是影响纹波的主要影响因素，电容是影响纹波的主要影响因素，电容ESR应尽量小；应尽量小；关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：电源电路器件电源电路器件4 4）开关管选用）开关管选用Rds on和寄生电容小的和寄生电容小的MOS管降额，管降额，Vgs 90% ，Vds 80%；3 3）二极管选择正向压降小、反向恢复时间短的肖特基管；）二极管选择正向压降小、反向恢复时间短的肖特基管；关键器件参数降额要求：关键器件参数降额要求：半导体光电器件半导体光电器件:半导体光电器件主要有三类：发光、光敏器件或两者的组合。发光类器件主要有

26、发光二极管、发光数码管半导体光电器件主要有三类：发光、光敏器件或两者的组合。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；常有的光电组合器件是光电耦合器，它由发光二极管和光敏三；光敏类器件有光敏二极管、光敏三极管；常有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。极管组成。 高结温和结点高电压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。体光电器件的结温、电流或功率均需进行降额。 应用指南：应用指南：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。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。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。其电流峰值超过发光二