磁性器件的降额设计研究

李载峰 郭汉洲

摘要 在电子学设计中磁性器件的工作应力应小于其额定应力，令其处于降额使用状态，以保证其可靠性。本文对磁性器件的降额设计方法进行了研究，包括磁性器件的降额参数，降额要求，测试及计算方法。在上述研究的基础上，最终提出了磁性器件的降额使用规则。

【关键词】磁性器件 工作应力 降额 热点温度

1 引言

磁性器件主要指电感器、线圈、磁芯及变压器等。对磁性器件的降额设计进行研究的目的，是确定磁性器件的降额工作状态，令其不超过生产商提供的技术指标指标，从而使器件能达到全寿命工作的状态。降额设计的准则是元器件的最差工况，若磁性元件长期在最差工况下工作，其工作寿命将远远小于额定寿命。元器件的最差工况通常由包括温度、电流、电压、负载等参数中的一种或多种组合决定。

2 降额设计的要求

磁性器件具备最优降额范围，在该范围，磁性器件降额参数的确定对器件的失效率下降有明显的改善，故设计时应确定其最优降额范围。其次，应考虑降额的限度，过度的降额一方面会导致磁性器件的正常性能产生变化，另一方面会产生新的失效机理，降低器件的可靠性。最后，应综合调整各降额参数之间的关系，不能将降额量值定死。

磁性器件的降额参数包括浪涌电流，浪涌电压，磁芯热点温度及线圈热点温度。

3 降额参数的测试方法

3.1 浪涌电流

浪涌电流的测试主要工具为电流探头及示波器，示波器带宽应足够高，至少大于500MHz。在测试过程中，电流探头为非接触式测试。首先，在磁性器件的输入端串联一直径较粗的导线，便于探头稳固的夹住导线。测试前，电流探头应进行调零处理，令探头闭合，调节探头的调零组件，直至示波器上显示出的电流值与0基准值重合。探头本身具有电流与电压转换因子，在设置示波器时应加入转换因子。其次，开始测试，将探头夹到导线上，设置示波器的触发方式，建议选择长余辉模式，示波器初始设置时，幅度可以设的较大，时轴单位设为ms级，重复测试三到五次，直到测试出稳定的浪涌电流值为止。最后，打开示波器的坐标读数功能，记录浪涌电流的峰值电流、持续时间、上升时间等参数。

3.2 浪涌电压

浪涌电压的测试主要工具为示波器及高压探头，示波器带宽应足够高，至少大于500MHz。测试之前，由于无法估计真实的浪涌电压大小，应将示波器的幅度调到最大值，以免示波器的输入电路被击穿。将探头接至磁性器件的端口，进行初步测试，依据测量结果将示波器的幅值和时轴调整至合适状态。设置示波器的触发方式，建议选择长余辉模式。时轴单位设为ms级，重复测试三到五次，直到测试出稳定的浪涌电压值为止。最后，打开示波器的坐标读数功能，记录浪涌电压的峰值电压、持续时间、上升时间等参数。

3.3 磁芯热点温度

测试的主要工具为多点热电偶温度仪。测试时，将热电偶贴在最靠近磁芯中心柱处，将该点测量的温度值近似处理为磁芯热点温度。

T持续工作 的计算方法：

T持续工作=T短期工作+△T

其中：

T持续I作-磁性器件在持續工作状态下的热点温度;

T短期工作-磁性器件在短期工作时最高环境温度;

△T-磁芯的温度升高差，可采用直接测试方法或电阻变化测量法获取。

电阻变化测量法的计算公式如下：

△T=（（R-r）/r）（t+234.5）一（T_AM-t）

公式中：R-当温度为（t+△t）时的磁芯电阻，单位为Q;

r-当温度为t时的磁芯电阻，单位为Q;

t-环境温度的初始值，℃;

TAM-断电时的最高环境温度值，℃，其与t的差值不可大于5℃。

3.4 线圈热点温度

通常将线圈厚度的内三分之一处的温度近似处理为线圈热点温度。热点温度的测量首先测量表面温度，然后估算热点温度。用点温计测量绕组表面的温度和散热情况最差处的温度，再加修正量A来近似获取热点温度，即：

热点温度=表面温度+A

其中，风冷条件下，A=20℃;自然冷却下，A=10℃：

T持续工作 的计算方法：

T持续工作=T短期工作+△T

其中：

T持续I作一磁性器件在持续工作状态下的热点温度;

T短期I作-磁性器件在短期工作时最高环境温度;

△T-与磁芯热点温度的△T获取方法相同。

4 降额原则

基于磁性器件降额设计的要求及降额参数的测试方法，通过大量重复性试验，可以最终获得磁性器件的降额原则，如表1所示。

5 结束语

降额设计可以降低磁性器件的基本失效率，提高磁性器件的可靠性。本文通过对磁性器件的降额使用进行研究，能够为电子设计人员提供参考，有效地选用最优磁性器件，最大限度地提高磁性器件的可靠性。

参考文献

[1]郭振铎，郭炳，赵凯.电子元器件降额设计研究[J].电子技术与软件工程，2016 （01）：257-258.

[2]辛颖靳，静雷，苗英，机载电子产品降额设计研究[J].质量与可靠性，2018 （02）：13 -16.

[3]张劲军.提升电路中元器件的使用可靠性的探讨[J].电子世界，2016 （05）：16 3+165.

[4]姚恒，邓晗.电子产品的可靠性设计探讨[J]，工业设计，2016（01）：13 3+189。