可靠性方法之降额设计详解

孔明

逃生时，从10楼顺着绳子滑下楼。
你100斤，有根绳子最大承受100斤，另外一根最大承受300斤。
你选那根？

大家一定选能承受300斤的绳子，因为安全可靠。这其中隐含着可靠性设计方法中的降额，了解一下吧。

什么是降额设计？

降额设计(Derating)是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。

降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。

工程经验证明，大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高。

为了找到最佳降额值，需做大量的试验研究。

当机械零部件的载荷应力以及承受这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不确定分布时，可以采用提高平均强度（如通过大加安全系数实现）、降低平均应力，减少应力变化（如通过对使用条件的限制实现）和减少强度变化（如合理选择工艺方法，严格控制整个加工过程，或通过检验或试验剔除不合格的零件）等方法来提高可靠性。


对于涉及安全的重要零部件，还可以采用极限设计方法，以保证其在最恶劣的极限状态下也不会发生故障。

在电子产品降额设计中，“降”得越多，要选用的元器件在性能就应该越好，成本也就越高，所以在降额设计过程中，要综合考虑。


并不所有的电子产品都可以“降额”，在实现设计过程时，应该注意：

1、不应将标准所推荐的降额量值绝对化，应该根据产品的特殊性适当调整；

2、应注意到，有些元器件参数不能降额；

3、对于电子元器件，其应用应力越降低越能提高其使用可靠性，但却不尽然。如聚苯乙烯电容器，降额太大易产生低电平失效；

4、为了降低元器件的失效率，提高设备可靠性而大幅值降低其应用应力，按其功能往往需要增加元器件数量和接点，反而降低了设备可靠性；

5、对器件进行降额应用时，不能将所承受的各种应力孤立看待，应进行综合权衡；

6、不能用降额补偿的方法解决低质量元器件的使用问题，低质量产品要慎重使用。

降额等级划分

Ⅰ级降额是最大的降额，对元器件使用可靠性的改善最大。超过它的更大降额，通常对元器件可靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。

Ⅱ级降额是中等降额，对元器件使用可靠性有明显改善。Ⅱ级降额在设计上较Ⅰ级降额易于实现。

Ⅲ级降额是最小的降额，对元器件使用可靠性改善的相对效益最大，但可靠性改善的绝对效果不如Ⅰ级和Ⅱ级降额。Ⅲ级降额在设计上最易实现。

降额参数的选择

不同产品降额参数选择不同，对机械件还选择力矩等。对电子产品而言，降额的参数通常选取一般是电应力和热应力，应力大小直接影响失效率的高低，而且不一定就只是主要性能指标才需要降额，要结合使用条件环境进行分析，确定哪个指标是受应力条件影响大的。

1、降额要考虑电路稳态工作、暂态过载、动态电应力几种条件下的应力；

2、电阻类主要是功率降额，对高压应用环境还需电压降额；

3、电容类主要是电压和功耗降额，有时考虑工作频率降额；

4、数字IC对其负载、应用频率降额；

5、线性与混合集成电路的降额主要是工作电流或工作电压的降额；

6、微波IC主要是功率和频率的降额；

7、晶体管是工作电流、工作电压、功耗、频率的降额；

8、普通二极管频率降额、开关二极管的工作峰值反向电压，变容二极管的击穿电压、可控硅的工作浪涌电流及正向工作电流降额；

9、继电器触点电流的降额，按容性负载、电感性负载及电阻性负载等不同负载性质做出不同比例的降额。对容性负载要按电路接通时峰值电流进行降额；

10、电连接器的降额主要是工作电流的降额，其次是工作电压的降额。降额程度根据触件间隙大小及直流和交流电源而定；

11、开关的降额主要是开关功率和触点电流的降额，电缆和导线是电流降额，高压电路的电缆和导线是工作电压的降额；

12、晶体是驱动电压降额（保证功率前提下）。

注意事项

不是降额越多越好，各类元器件均有一个最佳降额范围，在此范围内应力变化对其故障率影响较大，较小的投入即可见到较大的可靠性收益，再继续降额，可靠性的提高很微小没必要。

也不是什么指标都允许降额，继电器的线包电流不仅不能降低，反而应在额定值之上，否则影响可靠的接触。

降额是最简单易行的，而且降额后，即使电路设计有些许缺陷，因为余量较大，器件的耐受力空间足够，也能避免些故障，况且又不用特殊的试验仪器，只是在选定某一器件后，选个余量稍大的，就能解决不少问题。

我们生活中有很多情况要考虑降额，你遇到过吗?

Usopp

写的真心不错。。。