电子元器件的降额与瞬态过程的参数研究

杜光远

（北京机电工程研究所，北京100074）

电子元器件的降额与瞬态过程的参数研究

杜光远

（北京机电工程研究所，北京100074）

为了使电子元器件在电路中充分发挥作用，在保证元器件可靠性工作的前提下,降低相关设备的体积、重量和成本，需要通过合理地选择电子元器件的参数，以及使用于驱动的元器件与被驱动电路的参数并使之匹配。在对电磁继电器过负载能力和火工品负载特性进行分析的基础上，参考电子元器件额定参数降额的方法，对电磁继电器的过负载供电参数与火工品用电参数进行了降额计算和分析，推导并论述了电子元器件降额与瞬态负载的关系，提出了瞬态参数降额的概念，为电子元器件降额设计提出了新的理念和降额计算方法，可为具有瞬态特性的电路进行降额设计提供参考。

降额；瞬态过程；瞬态参数降额

0 引言

电子元器件降额是指有意识地降低某些施加在元器件上的工作应力（电、热、机械应力），使实际的应力低于其规定的额定应力[1]，以提高产品可靠性的方法。

在GJB/Z 35《元器件可靠性降额准则》[2]中给出了常用电子元器件的降额准则，并明确地给出了按不同的参数进行降额的降额因子。按这个降额准则进行设计，元器件工作应力的降低对其失效率的降低有明显的改善作用，设备的设计易以实现，且不必在设备的重量、体积和成本方面付出大的代价。这个标准给出的都是电子元器件额定参数的降额方法和要求，在一些情况下，负载特性决定了电子元器件工作在瞬态过程中，而电子元器件的额定参数和瞬态参数有显著的区别。在这种情况下，如果教条地使用元器件的额定参数对应负载的瞬态特性进行降额不但不合理，还可能造成成本和体积重量的浪费。

降温设计是元器件降额设计的一项主要手段，电子封装业普遍把“温度每上升2℃，硅片的可靠性下降10%”作为电子元器件设计时应遵守的准则[3]。在工作温度相对较为理想的情况下，电应力的降额是保证设备可靠性的首选途径。

在实际的应用中，技术人员往往对极限工作条件比较重视，对推荐运行条件理解得不够全面。比如，电磁继电器的额定负载值是指长期工作的负载能力，过负载能力[3]和极限通断能力是指继电器触点短时通过电流的能力。如果继电器驱动的负载不需要长期工作，其用电时间恰巧能与过负载能力参数或极限负载能力参数匹配，则可应用电磁继电器的这两个瞬态参数进行电路设计，而且，也能达到降额的目的。

1 电磁继电器负载能力和火工品用电特性分析

在GJB/Z 35《元器件可靠性降额准则》中，给出了电磁继电器为恒定负载供电的降额要求。针对阻性负载的I、II、III级降额分别是0.5、0.75和0.9。火工品（电起爆器）为阻性负载，可靠发火电流为5～10 A。以5 A为例，若采用III级降额，则为其供电的继电器触点的额定负载应为5/0.9= 5.6 A；若采用一级降额，则为其供电的继电器触点的额定负载应为5/0.5=10 A。

然而，火工品点火用电是典型的脉冲负载，火工品桥丝熔断后不再需要负载，标准规定火工品最长发火时间不大于50 ms，一般火工品的实际用电时间约为3～5 ms。实际上，电磁继电器不但具有额定的负载指标，还具有“过负载能力”和“极限通断能力”[4]。如果能利用电磁继电器的过负载能力为火工品供电，则可充分发挥电磁继电器的实际负载能力，进而减小设备的体积、重量。下面，针对利用电磁继电器的瞬态参数作为火工品点火电流的设计依据的合理性，以及瞬态参数匹配与降额的关系进行探讨。

按GJB 1461，对电磁继电器“过负载能力”的要求是，额定负载24 A以下的继电器应能承受4倍额定负载的负载试验考核50个循环。比如，10 A的继电器应满足连续通过40 A电流200 ms、断开20 s的50次循环的考核；对“极限通断能力”的要求是，额定负载10 A以上的继电器应能承受10倍额定负载的负载试验考核50个循环。如15 A的继电器应满足连续通过150 A电流200 ms、断开30 s的50次循环的考核。

2 基于电磁继电器和火工品的瞬态参数降额分析

针对火工品类脉冲负载，可以用继电器的过负载能力，必要时可以用极限负载能力。以用5 A额定负载能力的继电器驱动火工品为例，5 A继电器的过负载能力为20 A/200 ms、50次循环，这样的负载能力用于5 ms/10 A的火工品点火供电完全满足要求。如果点两路火工品相当于20 A/5 ms负载，则这样的负载能力也完全满足要求。这样使用，继电器每循环持续时间200 ms的能力我们最多只用了其中的1/4，即50 ms；而继电器有50个循环的能力，我们只用一个循环，相当于1/50。把实际负载与过负载能力的对应关系也认为具有降额使用的性质，是合理的。

以上是利用电磁继电器的“过负载能力”进行设计降额的情况，如果还是上述火工品用电与电磁继电器额定负载能力的对应关系，在考虑到电磁继电器的“过负载能力”的情况下，那么瞬态参数的降额量更大。

3 结束语

在实际应用的很多情况下，负载的用电特性具有脉冲负载的性质，如果为其供电的驱动器件恰巧具有与之相适应的瞬态特性参数，那么，用电子元器件的瞬态参数与负载的瞬态特性参数对比进行瞬态参数降额设计，在理论上是可行的，在很多的实际应用中，这种设计的可靠性也得到了验证。

以上分析计算得出的结论是可以用高于电磁继电器额定负载的过负载能力作为给火工品这类脉冲负载供电的依据，所选取的电流值高于电磁继电器的额定负载。但是，不能把这个过程理解为电磁继电器的升额[5]设计，而是以瞬态参数对瞬态参数的降额设计。

基于以上分析和工程实践证明，在进行电路设计时，仔细分析负载特性和驱动电路工作的瞬态过程，利用负载和驱动电路的瞬态参数进行降额设计可以在保证设备可靠性的前提下，降低产品质量、体积和成本。瞬态参数降额是一种可行的技术手段，但应用时需要从理论上分析清楚，并经一定的试验验证。

[1]杨为民.可靠性、维修性、保障性总论[M].北京:国防工业出版社，1995.

[2]GJB/Z 35-1993，元器件可靠性降额准则[S].

[3]YEH L T.Review of heat transfer technologies in electronic equipment[J].Transactions of the ASME，Journal or Electronic Packaging，1995，117（4）:333-339.

[4]GJB 1461-1992，含可靠性指标的电磁继电器通用规范[S].

[5]PECHT M G，KAPUR K C.可靠性试验工程基础[M].康瑞，张叔农，译.北京:电子工业出版社，2011.

Derating and Transient Process of Electronic Components

DU Guang-yuan
（Beijing Electro-mechanical Engineering Institute，Beijing 100074，China）

In order to ensure the proper operating and reliability of electronic components in the circuit and to reduce the device size，weight and cost，it is required to choose the electronic components with reasonable parameters and make sure the parameter matching of the driving components anddriven circuit.Based on the analysis of the overload capacity of electromagnetic relays and the load characteristics of initiating explosive devices，the deratingsof the overload capacity of the electromagnetic relays and the load characteristics of initiating explosive devicesare calculated and analyzed，referring to the ratings derating methods.The relationship between the derating and transient load of the electronic components is derived and discussed，andthe concept of transient parameter derating is introducedto provide a new calculating method and new ideafor the electronic component derating design and to provide a reference for derating design of circuit with transient characteristics.

derating；transient process；transient derating parameters

TB 114.32

：A

：1672-5468（2014）04-0001-03

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.04.001

2013-12-10

2013-12-18

杜光远（1961-），男（满族），辽宁新宾人，北京机电工程研究所研究员，主要从事电气系统及综合电子集成技术的研究工作。