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基础知识:航天元器件的降额要求

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随着元器件制造水平的改进,元器件的固有可靠性不断提高,在元器件失效案例中,因使用不当造成失效也是主要原因,提高元器件的应用可靠性已成为当务之急。元器件降额使用或称降额设计是提高应用可靠性的重要方法。元器件的降额生日季,应在电子线路设计阶段选择元器件的特性时实施。对降额设计的基本要求是:通过降额使产品可靠性满足任务要求,同时应防止过度降额而导致产品体积、质量及成本的不合理增加,要达到上述要求,必须对降额的目的、依据、工作重点等有比较清楚的认识,要深入掌握元器件的失效模式及失效机理。工程设计往往是在各种限制条件下的折中结果,元器件降额设计也不例外、电子产品中的元器件数量少则数十个,多则数百甚至数千个,降额设计涉及每个元器件及它们大部分参数,要使它们都达到规定的降额要求是一项繁杂的工作,通常要进行一些折中考虑。

降额有两个目的:
    1)降低元器件的工作失效率、提
高应用可靠性   
  2)降低可恢复性故障概率(例如因噪声容限下降而引起的抗干扰能力下降)、提高应用可靠性。通常应把额定电流作为降额的参数,但在某些特殊情况(对电容瞬时充、放电,用脉冲指令驱动双极晶体管等)可参考最大输出电流降额。失效率与元器件所受应力间的关系是降额设计的依据。GJB/Z 229C-2006中给出了常用元器件失效率与温度、主要电应力比的数学模型,这些模型就是温度及所述电应力的降额设计依据,其余应力则依据它们与上述主要电应力的关系、它们引起元器件失效的机理来决定降额要求。

在实际工作中会出现以下几种情况:
     1)所考虑的应力与失效率的关系能用数学模型来描述;
     2)所考虑的应力与失效率的关系不能用数学模型来描述,但与1)中所描述的应力有一定的对应关系;
     3)不属于1)、2)所述,但该应力引起的失效机理较清楚;
     4)不属于1)、2)所述,但该应力引起的失效机理较复杂;其中2)、3)、4)是经常遇到的三种情况。

降额设计目的及依据的描述决定了降额设计有如下特点:
     1)具有最佳降额范围。通常元器件有一个最佳降额范围。在此范围内,元器件工作应力的降低对失效率下降有显著效果,设备的设计较易实现且不会再体积、质量、成本方面付出过大代价。一般把这个最佳范围定为Ⅰ级降额。超过Ⅰ级的更大降额对可靠性的提高有限,却会付出最大代价,使设备的设计变得困难。
     2)一定程度的不确定性。不要把降额因子绝对化,对降额因子的少量偏离通常不会对失效率造成大的影响。这不意味着不必遵守降额准则,而是提醒设计者,不要不惜代价去消除降额因子的少量偏差。
     3)与参数类型有关。元器件有许多参数,其中有些参数对失效率起决定性影响;有些参数在一定范围内变化时不致造成元器件致命失效,仅造成性能降低。显然,对不同类型参数应有不同的降额要求。
     4)与设计寿命有关。可靠度与失效率及工作时间有关。从成本考虑,不同设计寿命对失效率应有不同要求,对降额的要求也应有所不同。
    5)与产品的重要性及冗余情况有关。
     6)与其他可靠性设计手段有关。例如,有良好的热设计时,可以适当放宽对功耗降额的要求。
     降额设计的工作程序如下:
   
  1)确定需降额的工作应力,即要降额的参数。
    2)确定需降额参数的额定值。要特别强调的是:与温度有关的参数在确定额定值时通常不能直接引用厂家产品手册上大气条件下的数据,要对热设计进行分析后再确定。
     3)控制应力比值应满足GJB/Z 35-1993元器件降额准则的要求。现有的GJB/Z 35-1993降额准则适用于陆、海、空、航天装备及地面辅助设备用元器件。GJB/Z 35-1993降额准则提出三级降额要求,并规定了不同应用对应的降额等级要求,它包含的元器件种类较多。与国外同类标准相比,GJB/Z 35-1993规定的降额因子偏小,即比较保守。GJB/Z 35-1993规定了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级降额等级,航天器与运载火箭应按Ⅰ级降额要求,要求不能轻易改变降额等级(如从Ⅰ级降到Ⅱ级)。

降额是有限度的,过度降额会带来以下问题:
   
1)增加元器件数量会使用新型元器件,可能降低可靠性;
    2)增大产品的体积、质量,增加成本;  
   3)可能引入新的失效机理。多年来,大量的降额设计实践证明,按GJB/Z 35-1993要求,Ⅰ级降额一般是可以实现的。但是,在个别情况下也会遇到对降额量值需作局部调整的问题。
降额量值调整要遵守以下要求:
     1)与规定的降额值间的小的偏差,通常对元器件工作失效率不会有大的影响。目前对允许偏差没有规定。原则上讲,允许偏差取决于该参数与失效率关系曲线上在该处的斜率。一般情况下,Ⅰ级降额前的曲线较平缓,小量偏差不会有大的影响。
      2)若使用的是进口高质量等级元器件,必要时可参照国外相应标准降额(例如:NASA-EEE-INST-002 EEE元器件选择、筛选、鉴定和降额指南),但要审批、备案。
     3)严格控制降额等级的降低(例如由Ⅰ级降为Ⅱ级),一旦发生应审批、备案。降额等级的降低进发生在以下情况:
      ①个别元器件的个别参数,且该参数不会影响元器件致命性失效率,例如数字电路的输入或输出电流。
      ②设计寿命短,冗余充足,非重要设备等经评审同意降低降额等级的产品或元器件。
      4)在采取措施结局额降额不足问题时,要仔细权衡利弊得失,例如数字电路的输入或输出电流。重点介绍几项对元器件失效率影响较大的参数(应力)的降额设计。
(1)电压降额电压降额的参数是额定电压或是绝对最大电压。降额后的电压一般不低于生产厂推荐的电压或产品手册所提供的数据(当采用这些数据时)中的测试电源电压。有些元器件应对电压变化率加以限制。这里所讲的电压通常是指电源电压,下面分几种情况加以说明。
(a)数字电路4000系列CMOS电路电源电压可在较大范围内选用,但它有绝对最大值的限制,应据此降额。HC,AC,LSTTL等中小规模数字电路及绝大多数大规模数字电路,都规定了电源电压范围,按规定使用,不再降额。上述电路电源电压实际上是厂家已经降额的。例如规定电源电压为(5±0.5)V,而其绝对最大值为7.5V。
(b)以运算放大器为代表的模拟电路这类器件的电源电压通常可以在一定范围内选择,而且性能参数与电源电压密切相关。厂家产品手册上通常会给出不同温度范围及不同电源电压下的性能数据,而且通常会提供电源电压的绝对最大值。这类器件电源电压降额后不要低于厂家推荐值。有时产品手册上没有明确给出推荐值,但提供了其电源电压下的数据,这实际上意味着推荐值。如果选择低于数据表的电源电压,则其性能数据会发生变化(通常会变差)。
(c)以晶体管为代表的功率器件这类器件以击穿电压为降额参数。但是,这类器件在不同的工作区域对电源电压有不同的限制。静态工作区受击穿电压的限制;稳态工作区受功耗限制;动态情况下受安全工作区限制。这类器件带感性或容性负载,尤其是二者的复合负载时,要仔细分析共组点的动态变化范围,要使工作点在降额后的安全工作区内移动。晶体管、MOSFET、瓷介电容器等元器件对电压变化率有限制。
(2)电流降额电流降额的参数是电流的额定值或绝对最大值。当电流对其他参数有影响时(例如输出电流对输出电压有影响时),应以满足元器件规定的性能指标的最大电流值作为额定值。电流降额有以下几种典型情况:
(a)功率类元器件这类元器件的生产厂家一般会给出两类限值,一类是最大电流或最大脉冲电流。这个限值是由元器件的材料、工艺、结构(含尺寸)决定的,这个限值通常与发热无关。另一类限值是额定电流,这个限值通常与发热有关。不要认为结温没有超标就可以不受限制地增大工作电流。结温不超,电流也不能超过允许的最大值。
(b)信号类(非功率类)元器件数字电路的输出电流降额是个典型例子,在上面已有描述。模拟电路也有类似的输出电流限制,手册上通常会给出允许短路电流值及允许短路时间,同时会给出保持规定的最大输出电压时允许的输出电流值,超出该电流后,最大输出电压会降低,输出电压将产生畸变。这类元器件的额定电流可能远小于最大输出电流,这时,额定电流的降额可在一定范围内调整。
(3)功耗降额功耗降额的参数是规定工作条件下的额定功耗。这里要特别强调额定功耗一定要对应于规定的工作条件(主要是散热条件)。功率器件有最大功耗限制,通常这个功耗与发热无直接关系。最大功耗由器件的材料、工艺、结构(含尺寸)决定的,与电流降额相似,不要认为结温不超就可以超出最大功耗限制。(4)温度降额温度及与温度有关的应力是降额设计的重点。降额设计与热设计往往是交叉进行的,热分析或热平衡试验结果是温度降额设计的输入条件之一。

频繁通、断电的产品,要控制主要发热元器件的温度变化量,以降低热疲劳引起的失效率。结温是半导体器件最主要的温度特征,超过最高结温将失去半导体特性。半导体器件的许多性能参数都与温度有关,如某些性能参数必须确保,则温度必须控制在适当范围。一般原件的温度指的是壳温或关键材料温度。磁性元件的温度是指热点温度,通常有磁性材料及绝缘材料两个热点温度限制。
(5)机械应力降额主要针对振动产生的应力。对于正弦振动降额设计比较明确,而随机振动时可能出现分歧。随机振动中会在某些频点出现大的谐振峰,但总均方根值不超规范。对此,应制定专门技术文件加以限制,对于设计者来说,应设法避开或抑制大的谐振峰。
(6)瞬态应力降额瞬态应力应按规定的降额因子降额。如无允许瞬态应力数据时,稳妥的办法是不超过稳态指(可以不降额)。元器件通用规范(或详细规范)中规定的过载试验条件可作为瞬态值得参考数据。 瞬态应力降额要考虑一下几种情况:
      1)某些应力(例如击穿电压、二次击穿安全区)瞬时超过允许值就不会损坏元器件。
     2)元器件的材料、工艺及结构的缺陷造成元器件性能不均匀,瞬态应力可造成局部应力集中而使元器件损坏。
     3)瞬时大功率(或大电流)作用下,元器件来不及散热,处于绝热状态,可能造成局部过热而损坏元器件。这种情况下热容量起作用,瞬态应力作用时间越短、容许值越大,但是这种关系一般不是线性的。
(7)故障隔离元器件的降额用于故障隔离的元器件(例如限流电阻器)应进行故障情况下的降额设计。用于故障隔离的元器件在故障状态下必须工作于厂家保证性能的应力条件下。
自制和定制元器件应按规定降额,额定值的确定应符合以下条件:
   1)依据相应的国军标制定的详细规范,元器件的额定参数取详细规范确定的值。详细规范中应对元器件的全部性能参数都规定测试方法及合格判据,在鉴定试验中应对元器件进行规定环境条件下的试验,并对重要参数规定过载及寿命试验条件。在详细规范中通常还会制定批鉴定条款。因此,这类自制和定制元器件的额定参数值置信度较高。
  2)无详细规范时,元器件的额定参数应经评审过的验证试验验证,并有一定的批量数据积累。随整机进行的鉴定试验或验收试验不能作为自制和定制元器件额定值的依据。  影响降额的空间环境影响主要是真空、失重及辐照。
  1)真空、失重使散热条件发生较大变化。真空环境下无对流散热,在密封舱内无强迫对流的产品内,因失重也无对流散热。大气条件下的对流散热能力与元器件的尺寸及表面积有关。因此,大尺寸、大表面积的元器件在真空、失重环境下散热能力的下降较大。
  2)气压变化过程中的低气压会引起低气压放电;空腔、充气密封体在真空中气体泄漏引起内部气压变化,会引起低气压放电或使元器件工作条件发生变化。管状熔断器内部气体泄漏后,使散热能力发生变化,会降低熔断电流,额定电流小的管状熔断器受泄漏的影响较大。漏率较大的密封继电器内部气体泄漏会形成低气压,加剧触点电弧,影响触点寿命。
  3)辐射会使元器件性能参数或工作状态发生变化,甚至损坏元器件。降额可以降低元器件的工作效率,但不能消除元器件的固有缺陷(例如内部多余物)。因此,降额不能提高元器件的质量等级。低质量等级的元器件的降额因子可能会低于标准中规定的值。现行标准不可能覆盖现有的全部元器件;随着技术的发展新型元器件会不断涌现;实际工程中会不断提出新的降额问题。不断修订标准可以逐步解决一些问题,但总会存在空白。对这类问题建议采取参照产品手册或国外相应标准降额,或根据工程上可实现原则,采取偏小的降额因子降额。GJB/Z 35-1993中对常用元器件的主要参数都明确规定了降额因。实践证明,只要在设计阶段合理设计线路,正确选择元器件,有正确的热设计,绝大部分降额要求是可以实现的。 在降额实践中遇到了一些应用中的特殊问题,应引起重视。
  1)运算放大器的输入共模电压共模电压会产生输出误差,这是性能设计中要考虑的问题。有一些运放,当输入共模电压超出允许范围后会造成输出混乱,应按手册要求严格限制输入共模电压范围。允许的输入共模电压范围与运放的电源电压有关,电源电压降低后,允许的共模电压范围也随之变小。采用PN结隔离工艺的器件,其衬底均接在器件最低电平引脚。当输入电压低于器件最低电平后,衬底正偏,PN结失去隔离作用,造成器件工作混乱,使用时要加以关注。
2)低压、高速器件的电压控制随着工作速度及集成度的提高,器件的工作电压越来越低,3.3V,1.5V,甚至更低电压的器件正推广使用。这类器件对电压波动的要求较严,低了会出错,高了有可能损坏器件。这类器件不能简单地靠控制电源电压来达到电压降额目的,必须关注一下两个方面:一是将印刷电路板(PCB)、去耦网络甚至内引线作为一个供电系统,进行电源完整性分析,防止电源电压过大的波动。二是控制信号线长度及阻抗特性,或采取必要的阻尼方法,抑制信号上的振铃幅度。
  3)混合集成电路的降额混合继承电路的降额设计由两部分组成:一是电路设计、工艺设计的降额设计,它取决于厂家所采用的规范;二是电路使用时的降额设计。其中第一点是决定性的,并且由此提出产品使用时的降额要求。选用混合集成电路时,必须由厂家产品手册上获取降额要求,若手册上没有提供,则需向厂家索取。  
4)瓷介电容器的降额瓷介电容器在使用中会发生低电压失效及dV/dt太大引起的失效。低电压失效主要是介质缺陷和电极工艺缺陷在电场及水汽或其他污染环境下会产生离子迁移和导电离子排序,在电极间产生导电通道,使绝缘阻抗下降。低电压下这个导电通道得以保存并发展,最终导致电路失效。国外采取特殊筛选程序(1.5V,85℃,85%湿度)筛除有缺陷的电容器或在低电压应用时选用高耐压电容器的办法来解决这个问题。国内目前无上述筛选程序,建议工作电压低于10V时选用耐压100V的瓷介电容器。而dV/dt值太大主要是介质缺陷在高dV/dt(伴有大的浪涌电流)作用下不断恶化,最终因局部发热而损坏电容器。目前无限制dV/dt值得规范,在电路设计中应限制dV/dt值。高dV/dt值经常发生在电感能量吸收网络中,正确的设计可以做到上述要求。
5)固体钽电容器的降额要求早期固钽用于电源滤波时要求串联3Ω/V电阻器,后逐步降到1Ω/V或更小;有些国外标准甚至规定固钽不能同于电源滤波。随着生产技术的提高,逐步取消了上述串联电阻的规定,取而代之的是在相关标准中规定了做浪涌电流测试的要求。浪涌电流测试方法是:将50000μF电容充电到被测电容器的额定电压。通过约1Ω电阻对被测电容器充、放电,重复多次。测试前后被测电容器的参数变化必须在规定范围内。全部交付产品都要做浪涌电流测试。浪涌电流降额可参照浪涌电流测试数据进行。固钽用于开关电源滤波时必须对纹波电流及功耗进行降额设计。
  6)继电器触点电流降额许多早期文献对容性、灯丝及感性负载时继电器触点的降额系数分别规定了一个很宽的范围,这种方法不太科学,容易出现降额过度或降额不足。正确的方法应该分析真实负载特性,找出最高电压,最大电流的幅值及持续时间,据此进行降额设计。
  7)导线与电缆的降额传输功率的导线或电缆必须对通过的电流降额,以控制导线温度,导线热量只能通过绝缘皮向外传导及表面对流和辐射散热,其散热情况与电缆的包扎、敷设情况有关。电缆的电流及温度降额设计应由相应的电缆的设计规范来解决。GJB/Z 35-1993中的相关内容只是为初步设计提供了一个参考数据。功率电缆应通过热分析或热平衡试验来验证设计的合理性。
  8)感性元件的降额主要讨论感性元件的热点温度降额。热点温度分绝缘材料温度及磁性材料温度两种。绝缘材料温度降额是不同耐热等级的绝缘材料有不同的最高工作温度限制,其温度降额值取决于绝缘材料性质、设计寿命、产品的重要性、可维修性等因素。标准化的通用产品(例如定型生产的电机、电器等)有相应的设计规范来控制绝缘材料的温度,许多非标准产品、自制产品(例如开关电源中的变压器)很可能没有完备的设计规范来限制工作温度。这时应根据工程上可实现原则来确定温度降额值(选用工作温度高的材料,尽可能加大温度降额值)。而磁性材料在温度超过居里点后将失去磁性能,通常情况下磁性材料居里点都高于常见的绝缘材料的最高工作温度,一些高导磁率铁氧体的居里点很低,使用时要特别注意。 元器件降额使用前,先要确定元器件实际承受的应力,然后按GJB/Z 35-1993确定元器件的降额等级和降额因子。将实际应力除以降额因子,即得出所选元器件降额后应承受的应力。最后选择额定应力接近但略高于此应力的元器件。下面以电磁继电器的降额为例,说明元器件降额使用需要注意的事项。从GJB/Z35-1993可以看到电磁继电器的降额是比较复杂的。降额的参数有:触点电流或触点功率、控制线圈电压、最高环境温度、振动极限、工作寿命(循环次数)等。其中触点电流的降额又与触点负载有关,因为大多数电磁继电器手册或详细规范中仅给出了电阻负载的触点连续额定又与触点负载有关,因为大多数电磁继电器手册或详细规范中仅给出了电阻负载的触点连续额定电流,但对电容负载、电感负载、电机负载、灯丝负载需要更进一步的降额,方能保证电磁继电器稳定可靠地工作。例如某电磁继电器的负载是电感负载,其对电阻的负载的触点连续额定电流为10A,当用于电感负载的并要求Ⅰ级降额时,则电感负载的连续电流不得超过3.5A。GJB/Z 35-1993还规定电磁继电器控制线圈的最小吸合电压要求为1.1额定电压,这就不仅不能降额还要“升额”了,实践证明对控制线圈电压规定不得降额,但允许有±10%的误差就可以了。其他降额要求:如环境温度应较最高额定环境温度低20℃、振动环境应为振动极限的0.6、Ⅰ级降额应对额定的工作寿命降低一半等都是比较合理可行的。来源:航天元器件

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