開關(guān)電源13類元器件的電壓、電流、溫度使用安全區(qū)

為什么要降額使用元器件?因為如果元器件的工作狀態(tài)不超過供應(yīng)商提供的規(guī)格書上的指標。那么可以實現(xiàn)全壽命工作。降額使用，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

降額使用規(guī)則的制訂，是依據(jù)最差工況(worst case)來制定的。處于最差工況工作的元件，是實際壽命達不到額定壽命的重要因素。

最差工況，就是元件工作時承受著最大應(yīng)力的工作狀況。這種情況一般由外部環(huán)境的參數(shù)比如溫度、電壓、開關(guān)次數(shù)、負載等條件中的一種或多種組合而成。這些應(yīng)力的邊界條件一般在元件的規(guī)格書中都是給出來的。

一個良好的設(shè)計，是應(yīng)該根據(jù)最差工況時，元件的設(shè)計風(fēng)險來評估設(shè)計的可靠性的。風(fēng)險評估同時可以確定失敗的原因、潛在的風(fēng)險、失敗的概率、后果的嚴重性等。

要制定降額使用規(guī)范，就要進行worst case下的失敗風(fēng)險評估。要進行風(fēng)險評估，就要建立加速實驗?zāi)Ｐ?。要是風(fēng)險評估按照正常使用時間來做的話，等到評估完了，市場份額早就被瓜分完了。

模型的準確性，將嚴重影響風(fēng)險評估的結(jié)果。要精確保證模型的準確性，那又是一門大學(xué)問了。在我們這里，就定性的簡單分析一下吧。

加速試驗的加速因子，一般遵循阿累尼烏斯定律：

 

 

其中：

A 加速因子

Ea 活化能

K 波爾茲曼常數(shù)，8.63E-5 eV/K

T 絕對溫度

如果加速因子對應(yīng)某個要降額條件下的值是已知的，那么可以用下面的公式來計算其他情況下的壽命：

 

 

其中：

T 溫度，以攝氏度為單位

Tref 參考降額使用溫度，以攝氏度為單位

tref 參考使用壽命，單位KHrs(千小時)

t 使用壽命，單位KHrs(千小時)

A 每10攝氏度加速因子

舉個例子：一個元件在90攝氏度下的壽命是30KHrs，加速因子A約等于2每10攝氏度，那么在什么溫度下，元件的壽命就變成了20KHrs呢?

 

 

一、集成電路

因為集成電路的復(fù)雜性和保密性，一般我們只能根據(jù)半導(dǎo)體結(jié)溫來推斷集成電路的可靠性了。

我們通常規(guī)定：

1，最大工作電壓，不超過額定電壓80%

2，最大輸出電流，不超過額定電流75%

3，結(jié)溫，最大85攝氏度，或不超過額定最高結(jié)溫的80%

二、二極管

二極管種類繁多，特性不一。故而，有通用要求，也有特別要求：

通用要求：

長期反向電壓<70%～90%×VRRM(最大可重復(fù)反向電壓)

最大峰值反向電壓<90%×VRRM

正向平均電流<70%～90%×額定值

正向峰值電流<75%～85%×IFRM正向可重復(fù)峰值電流

對于工作結(jié)溫，不同的二極管要求略有區(qū)別：

信號二極管< 85～150℃

玻璃鈍化二極管< 85～150℃

整流二極管和快恢復(fù)、超快恢復(fù)二極管(<1000V)<85～125℃

整流二極管和快恢復(fù)、超快恢復(fù)二極管(≥1000V)<85～115℃

肖特基二極管< 85～115℃

穩(wěn)壓二極管(<0.5W)<85～125℃

穩(wěn)壓二極管(≥0.5W)<85～100℃

Tcase(外殼溫度)≤0.8×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個可供參考的經(jīng)驗值。

這里很多指標給的是個范圍，因為不同的可靠性要求和成本之間有矛盾。所以給出一個相對比較注重可靠性的和一個比較注重成本的兩個值供參考。下面同理。

三、功率MOS

VGS<85%×VGSmax(最大柵極驅(qū)動電壓)

ID_peak<80%×ID_M(最大漏極脈沖電流)

VDS<80～90%×額定電壓

dV/dt<50%～90%×額定值

結(jié)溫<85℃~80%×Tjmax(最大工作結(jié)溫)

Tcase(外殼溫度)≤0.8×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個可供參考的經(jīng)驗值。

四，三極管

所有的電壓指標都要限制在85%的額定值之下

功率損耗不超過70%～90%額定值

IC必須在RBSOA(反偏安全工作區(qū))與FBSOA(正偏安全工作區(qū))范圍內(nèi)降額30%(就是額定的70%)

結(jié)溫不超過85～125℃

Tcase(外殼溫度)≤0.75×Tjmax-2×θjc×P，2×θjc×P<15℃，θjc是從結(jié)到殼的熱阻，P是功率損耗。這是一個可供參考的經(jīng)驗值。

五，電解電容

鋁電解電容是開關(guān)電源中一個非常重要的元件。而很多開關(guān)電源的故障率偏高，都是因為對鋁電解的使用不當造成的。 由于鋁電解的重要性，我們對他的研究比較多，因而制定出來的規(guī)則也比較多。

1，Vdc+Vripple<90%×額定電壓

2，在電容體之下，PCB正面，盡量不要有地線之外的其他走線。

3，紋波電流，這個問題比較復(fù)雜，因為開關(guān)電源中，紋波電流的頻譜是非常豐富的，所以必須把紋波電流折算一下：

 

 

頻率因子，供應(yīng)商應(yīng)該可以提供的。

紋波電流必須保證在供應(yīng)商的額定值的70%～90%之內(nèi)。

4，電解電容的初始容量要保證20%的裕量。同時，要保證額外的20%的容量裕量，以應(yīng)對壽命快到時的容量衰減。

5，電解電容的壽命溫度加速因子為2每10℃，也就是說，溫度每升高10度，壽命減半。

6，殼溫Tcase受限于設(shè)計壽命。

7，自溫升<5℃，所謂自溫升，是指電容實際工作時，完全因為自身發(fā)熱導(dǎo)致的溫升。

六，瓷片電容

工作電壓<60%～90%×額定電壓

表面溫度<105℃

自溫升<15℃或由規(guī)格書定義，以低的為準。

七，薄膜電容

1，在開關(guān)電源中，不要使用聚苯乙烯電容，因為聚苯乙烯電容耐熱比較差。

2，表面溫度<85℃，超過85℃耐壓按照下圖降額使用。此處的電壓指的是直流電壓疊加交流峰值電壓。

 

 

3，聚酯電容自溫升<8℃或由規(guī)格書定義，以低的為準

4，聚丙烯電容自溫升<5℃或由規(guī)格書定義，以低的為準

5，薄膜電容的使用壽命取決于電壓值和電壓脈沖的上升速率。允許的脈沖數(shù)量和電壓值以及脈沖斜率的關(guān)系，如下式：

其中：

 

 

Npulse為脈沖總數(shù)

Vr,max最大額定直流電壓

Vapplied實際使用峰峰值電壓

(dv/dt)max最大額定脈沖斜率

(dv/dt)applied實際使用脈沖斜率

八，電阻

電阻可以分為三大類：固定線性電阻、固定非線性電阻、可變電阻

固定線性電阻包括：碳膜、金屬膜、金屬氧化膜、金屬釉、碳質(zhì)等電阻和繞線電阻。

固定非線性電阻包括：NTC、PTC

電阻的可靠性主要取決于電阻的溫度，而溫度則是環(huán)境溫度和自身功率損耗產(chǎn)生熱量后疊加的效果。

功率和電壓都對電阻的選擇與使用產(chǎn)生限制：

從圖中可以知道，對于阻值低于臨界阻值的電阻，使用是受功率限制，而對于高于臨界阻值的電阻，使用上是受耐壓的限制。

 

 

對于單個脈沖的功率限制，取決于脈沖的形狀。同時脈沖的峰值電壓必須不能超過額定限制。

電阻的降額使用規(guī)則：

1，在有瞬間高壓脈沖的電路中使用金屬釉電阻

2，在有大的沖擊電流的場合使用繞線電阻

3，連續(xù)功率<50%×額定功率

4，不要使用>1MΩ的碳膜電阻，因為長期穩(wěn)定性太差

5，高阻值長期穩(wěn)定性好的電阻應(yīng)采用金屬釉電阻

6，在熱沖擊試驗后，電阻的阻值必須在±5%的額定范圍內(nèi)

7，可熔斷電阻，比如保險絲電阻，不要靠PCB太近，以免PCB過熱

8，盡量不要將矩形的貼片電阻用在ESD保護電路，因為矩形的尖角容易放電

9，在電壓、電流采樣時，如果用貼片電阻，盡量使用尺寸在1206以上的。

10，耐壓的降額使用：

對于碳膜、金屬膜、金屬氧化膜電阻：

R>100K時，VRMS<50%×額定最大連續(xù)工作電壓

R≤100K時，VRMS<90%×額定最大連續(xù)工作電壓或90%×(P×R)0.5，以低的為準。

對于碳質(zhì)電阻、金屬釉電阻和繞線電阻：

VRMS<90%×額定最大連續(xù)工作電壓或90%×(P×R)0.5，以低的為準。

11，電路中有沖擊電流的時候的瞬時功率可以按照下面的經(jīng)驗公式計算：

P=I2×R×t/4，其中，t是電流跌落到最大值38%時的時間。

九，磁性元件

磁性元件中，線對線之間的最大電壓不能超過下表：

 

 

將AWG線規(guī)可以按照此式轉(zhuǎn)換為mm單位線徑：

d=25.4×0.005×92((36-AWG)/39)

漆包線的使用壽命加速因子約為2.5每10℃。

線包的溫度降額規(guī)定：

CLASS B：95℃～110℃　　注：額定溫度是130℃

CLASS F：110℃～125℃　　注：額定溫度是155℃

CLASS H：125℃～150℃　　注：額定溫度是180℃

磁芯的降額規(guī)定：

Bmax<80%×Bsat 在任何條件下。

Bsat是磁芯的飽和磁感應(yīng)強度

TCORE<70%×Tcurie-10℃

Tcurie是磁芯居里點溫度

十，金屬氧化物壓敏電阻MOV

Tcase ≤85℃，在任何條件下

具體選型推薦為：

AC120V/127V　　　 選用150Vrms

AC220V　　　　　　選用275Vrms(此項尚存爭議)

AC277V　　　　　　選用320Vrms

AC347V　　　　　　選用420Vrms

十一，印刷電路板

PCB材料和最高可用表面溫度如下：

FR2　　75℃

FR3　　90℃

FR4　　125℃

CEM1　 125℃

CEM3　 125℃

此外，有以下一些規(guī)則：

可以使用過孔幫助散熱

每個過孔流過電流不超過2A

布線之間的間距與電壓的關(guān)系參考UL935

FR1的導(dǎo)熱率是FR4的兩倍，但FR1不適合做雙面板

十二，保險絲

對保險絲的降額使用，是對電路保護可靠性和保險絲使用壽命之間的妥協(xié)。

降額使用保險絲，并不能直接帶來產(chǎn)品可靠性的提升。

環(huán)境溫度和電流是影響保險絲壽命的主要因素。

在25℃下，保險絲的電流應(yīng)該降額25%使用。在環(huán)境溫度升高時，慢熔斷的保險絲，要按照0.5%/℃來增加降額。而快融斷保險絲則按照0.1%/℃來增加降額。

十三，光耦

最大工作電壓<70%～90%×額定電壓

最大工作電流<25%～90%×額定電流

電流傳輸比，按照產(chǎn)品壽命時間，保留20%裕量

結(jié)溫<85℃～100℃