可靠性设计需要了解的二三事——降额设计

Posted 2021-04-19 赛宝可靠性

随着电子技术的日益发展，用户对产品的可靠性要求越来越高。用户对产品的要求已经从最初的能用就行，到用得顺手，发展到现在的长期可靠。为了应对用户越来越高的产品要求，工程师在进行产品设计时开始更多地关注可靠性相关的问题，以求在设计阶段发现并解决产品的潜在风险，满足用户的要求。今天小编就与大家一起来了解一种产品可靠性设计方法——降额设计。

1、什么是降额设计

       产品在寿命周期内，其额定应力和工作应力都是一个概率分布（如图1）。工程经验证明，元器件在低于额定应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高；反之，元器件如果工作在高于其额定应力的条件下，则其发生故障的概率高。降额设计就是使元器件的最高工作应力低于其最低额定应力的一种设计方法。通过降额设计达到延缓元器件参数退化，降低产品在恶劣环境下发生故障的概率，提高产品使用可靠性的目的。

  图1 额定应力及工作应力分布模型

2、怎样进行降额设计

        想要有效进行降额设计需要考虑三个因素：元器件工作应力分布、元器件额定应力分布（即允许的最大使用应力值的分布）以及降额因子（即工作应力与额定应力之比）。

       降额设计可以分4步进行：

       1、通过设计计算、工程经验和环境分析等手段对产品的工作应力分布进行分析评估；

       2、通过实际测试或由规格书获得元器件的额定应力分布；

       3、针对需要降额的元器件，参考行业标准或企业标准，在考虑经济效益的条件下制定合理的降额因子；

      4、根据元器件的工作应力、额定应力以及降额因子选择使用合适规格的元器件，使其满足降额要求。

3、降额设计案例

     图2 AC-DC电源电路原理图

        以图2中AC-DC电源的输入滤波电容为例，此电容应该选用多大耐压规格的电容呢？

       输入滤波电容承受的电压（Uc）主要受电网电压（ U_AC）影响，约为√2* U_AC。《供电营业规则》规定，我国220V单相供电的波动范围为±10%。以此来计算，可以得出滤波电容电压Uc=220*110%*√2≈342 。参考《IPC-9592B 2012 Requirements for PowerConversion Devices for the Computer and Telecommunications Industries》标准，在电压高于250V时，建议铝电解电容的降额因子为90%。按照上述数据计算，如果此处使用400V的电解电容，则有85%的降额，满足降额要求。

        然而我国幅员辽阔，实际上并非处处的电压都能满足《供电营业规则》的规定。如测量全国多个地区的电网电压并进行统计拟合在可接范围内（如取6个西格玛）的最高电压为260V，则滤波电容可能的最高电压应该是 U’_{c=260*√2≈368。}如果选择400V耐压的电解电容，则已经无法满足90%的降额要求。此时需要选取450V才能满足IPC9592B标准中的降额要求。

小结

        在产品设计过程中，对关键的元器件进行降额设计是非常有必要的。合理的降额可以延缓元器件参数退化，降低产品在恶劣环境下发生故障的概率，提高产品可靠性。