電子元器件的降額與瞬態(tài)過程的參數(shù)研究

杜光遠(yuǎn)

（北京機(jī)電工程研究所，北京100074）

電子元器件的降額與瞬態(tài)過程的參數(shù)研究

杜光遠(yuǎn)

（北京機(jī)電工程研究所，北京100074）

為了使電子元器件在電路中充分發(fā)揮作用，在保證元器件可靠性工作的前提下,降低相關(guān)設(shè)備的體積、重量和成本，需要通過合理地選擇電子元器件的參數(shù)，以及使用于驅(qū)動的元器件與被驅(qū)動電路的參數(shù)并使之匹配。在對電磁繼電器過負(fù)載能力和火工品負(fù)載特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，參考電子元器件額定參數(shù)降額的方法，對電磁繼電器的過負(fù)載供電參數(shù)與火工品用電參數(shù)進(jìn)行了降額計(jì)算和分析，推導(dǎo)并論述了電子元器件降額與瞬態(tài)負(fù)載的關(guān)系，提出了瞬態(tài)參數(shù)降額的概念，為電子元器件降額設(shè)計(jì)提出了新的理念和降額計(jì)算方法，可為具有瞬態(tài)特性的電路進(jìn)行降額設(shè)計(jì)提供參考。

降額；瞬態(tài)過程；瞬態(tài)參數(shù)降額

0 引言

電子元器件降額是指有意識地降低某些施加在元器件上的工作應(yīng)力（電、熱、機(jī)械應(yīng)力），使實(shí)際的應(yīng)力低于其規(guī)定的額定應(yīng)力[1]，以提高產(chǎn)品可靠性的方法。

在GJB/Z 35《元器件可靠性降額準(zhǔn)則》[2]中給出了常用電子元器件的降額準(zhǔn)則，并明確地給出了按不同的參數(shù)進(jìn)行降額的降額因子。按這個降額準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，元器件工作應(yīng)力的降低對其失效率的降低有明顯的改善作用，設(shè)備的設(shè)計(jì)易以實(shí)現(xiàn)，且不必在設(shè)備的重量、體積和成本方面付出大的代價(jià)。這個標(biāo)準(zhǔn)給出的都是電子元器件額定參數(shù)的降額方法和要求，在一些情況下，負(fù)載特性決定了電子元器件工作在瞬態(tài)過程中，而電子元器件的額定參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)有顯著的區(qū)別。在這種情況下，如果教條地使用元器件的額定參數(shù)對應(yīng)負(fù)載的瞬態(tài)特性進(jìn)行降額不但不合理，還可能造成成本和體積重量的浪費(fèi)。

降溫設(shè)計(jì)是元器件降額設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要手段，電子封裝業(yè)普遍把“溫度每上升2℃，硅片的可靠性下降10%”作為電子元器件設(shè)計(jì)時應(yīng)遵守的準(zhǔn)則[3]。在工作溫度相對較為理想的情況下，電應(yīng)力的降額是保證設(shè)備可靠性的首選途徑。

在實(shí)際的應(yīng)用中，技術(shù)人員往往對極限工作條件比較重視，對推薦運(yùn)行條件理解得不夠全面。比如，電磁繼電器的額定負(fù)載值是指長期工作的負(fù)載能力，過負(fù)載能力[3]和極限通斷能力是指繼電器觸點(diǎn)短時通過電流的能力。如果繼電器驅(qū)動的負(fù)載不需要長期工作，其用電時間恰巧能與過負(fù)載能力參數(shù)或極限負(fù)載能力參數(shù)匹配，則可應(yīng)用電磁繼電器的這兩個瞬態(tài)參數(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，而且，也能達(dá)到降額的目的。

1 電磁繼電器負(fù)載能力和火工品用電特性分析

在GJB/Z 35《元器件可靠性降額準(zhǔn)則》中，給出了電磁繼電器為恒定負(fù)載供電的降額要求。針對阻性負(fù)載的I、II、III級降額分別是0.5、0.75和0.9?；鸸て罚娖鸨鳎樽栊载?fù)載，可靠發(fā)火電流為5～10 A。以5 A為例，若采用III級降額，則為其供電的繼電器觸點(diǎn)的額定負(fù)載應(yīng)為5/0.9= 5.6 A；若采用一級降額，則為其供電的繼電器觸點(diǎn)的額定負(fù)載應(yīng)為5/0.5=10 A。

然而，火工品點(diǎn)火用電是典型的脈沖負(fù)載，火工品橋絲熔斷后不再需要負(fù)載，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定火工品最長發(fā)火時間不大于50 ms，一般火工品的實(shí)際用電時間約為3～5 ms。實(shí)際上，電磁繼電器不但具有額定的負(fù)載指標(biāo)，還具有“過負(fù)載能力”和“極限通斷能力”[4]。如果能利用電磁繼電器的過負(fù)載能力為火工品供電，則可充分發(fā)揮電磁繼電器的實(shí)際負(fù)載能力，進(jìn)而減小設(shè)備的體積、重量。下面，針對利用電磁繼電器的瞬態(tài)參數(shù)作為火工品點(diǎn)火電流的設(shè)計(jì)依據(jù)的合理性，以及瞬態(tài)參數(shù)匹配與降額的關(guān)系進(jìn)行探討。

按GJB 1461，對電磁繼電器“過負(fù)載能力”的要求是，額定負(fù)載24 A以下的繼電器應(yīng)能承受4倍額定負(fù)載的負(fù)載試驗(yàn)考核50個循環(huán)。比如，10 A的繼電器應(yīng)滿足連續(xù)通過40 A電流200 ms、斷開20 s的50次循環(huán)的考核；對“極限通斷能力”的要求是，額定負(fù)載10 A以上的繼電器應(yīng)能承受10倍額定負(fù)載的負(fù)載試驗(yàn)考核50個循環(huán)。如15 A的繼電器應(yīng)滿足連續(xù)通過150 A電流200 ms、斷開30 s的50次循環(huán)的考核。

2 基于電磁繼電器和火工品的瞬態(tài)參數(shù)降額分析

針對火工品類脈沖負(fù)載，可以用繼電器的過負(fù)載能力，必要時可以用極限負(fù)載能力。以用5 A額定負(fù)載能力的繼電器驅(qū)動火工品為例，5 A繼電器的過負(fù)載能力為20 A/200 ms、50次循環(huán)，這樣的負(fù)載能力用于5 ms/10 A的火工品點(diǎn)火供電完全滿足要求。如果點(diǎn)兩路火工品相當(dāng)于20 A/5 ms負(fù)載，則這樣的負(fù)載能力也完全滿足要求。這樣使用，繼電器每循環(huán)持續(xù)時間200 ms的能力我們最多只用了其中的1/4，即50 ms；而繼電器有50個循環(huán)的能力，我們只用一個循環(huán)，相當(dāng)于1/50。把實(shí)際負(fù)載與過負(fù)載能力的對應(yīng)關(guān)系也認(rèn)為具有降額使用的性質(zhì)，是合理的。

以上是利用電磁繼電器的“過負(fù)載能力”進(jìn)行設(shè)計(jì)降額的情況，如果還是上述火工品用電與電磁繼電器額定負(fù)載能力的對應(yīng)關(guān)系，在考慮到電磁繼電器的“過負(fù)載能力”的情況下，那么瞬態(tài)參數(shù)的降額量更大。

3 結(jié)束語

在實(shí)際應(yīng)用的很多情況下，負(fù)載的用電特性具有脈沖負(fù)載的性質(zhì)，如果為其供電的驅(qū)動器件恰巧具有與之相適應(yīng)的瞬態(tài)特性參數(shù)，那么，用電子元器件的瞬態(tài)參數(shù)與負(fù)載的瞬態(tài)特性參數(shù)對比進(jìn)行瞬態(tài)參數(shù)降額設(shè)計(jì)，在理論上是可行的，在很多的實(shí)際應(yīng)用中，這種設(shè)計(jì)的可靠性也得到了驗(yàn)證。

以上分析計(jì)算得出的結(jié)論是可以用高于電磁繼電器額定負(fù)載的過負(fù)載能力作為給火工品這類脈沖負(fù)載供電的依據(jù)，所選取的電流值高于電磁繼電器的額定負(fù)載。但是，不能把這個過程理解為電磁繼電器的升額[5]設(shè)計(jì)，而是以瞬態(tài)參數(shù)對瞬態(tài)參數(shù)的降額設(shè)計(jì)。

基于以上分析和工程實(shí)踐證明，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時，仔細(xì)分析負(fù)載特性和驅(qū)動電路工作的瞬態(tài)過程，利用負(fù)載和驅(qū)動電路的瞬態(tài)參數(shù)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)可以在保證設(shè)備可靠性的前提下，降低產(chǎn)品質(zhì)量、體積和成本。瞬態(tài)參數(shù)降額是一種可行的技術(shù)手段，但應(yīng)用時需要從理論上分析清楚，并經(jīng)一定的試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]楊為民.可靠性、維修性、保障性總論[M].北京:國防工業(yè)出版社，1995.

[2]GJB/Z 35-1993，元器件可靠性降額準(zhǔn)則[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，含可靠性指標(biāo)的電磁繼電器通用規(guī)范[S].

[5]PECHT M G，KAPUR K C.可靠性試驗(yàn)工程基礎(chǔ)[M].康瑞，張叔農(nóng)，譯.北京:電子工業(yè)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

杜光遠(yuǎn)（1961-），男（滿族），遼寧新賓人，北京機(jī)電工程研究所研究員，主要從事電氣系統(tǒng)及綜合電子集成技術(shù)的研究工作。