在电子产品设计阶段， 避免元器件被激发失效机理、 模拟测试、 降额设计是提升电子产品可靠性的三个基础手段。 其中， 降额设计是最有效、 简单、 低成本的一种。

　　1、 降额参数选择得不对，该降的参数没降或降得不够，比如对功率元器件，结温是降额的关键点，而不是电压；同一类元器件，用在不同的电路里，起主导作用的参数可能是不一样的，如电容，用在储能时主导参数是容值和最大纹波电流，用在退耦时主导参数是自谐振频率点，用在安规时则是耐压。

　　2、同一个电路系统中，各元器件的降额不协调，如对所有元器件都取降额系数为0.5，薄膜电阻功率降额系数取0.5，属Ⅰ级降额；而线绕电位器功率降额系数取0.5，则属于Ⅲ级降额，因而会造成线绕电位器的降额裕量不足，薄膜电阻又降额过度。

　　3、一个系统中的不同部分，根据安全性、可靠性、重要程度要求的不同，可以采用不同的降额等级，常规民用地面设备一般推荐选择Ⅲ级降额；而地面设备中的高可靠性元器件、组件、模块的降额可以取Ⅱ级降额。

　　4、 可调元器件降额幅度应大于定值元器件，如薄膜定值电阻功率Ⅲ级降额系数为0.7，相同工艺类型的薄膜电位器功率Ⅲ级降额系数为0.6。

　　5、 相同规格的单根金属导线，多匝应用场合时的降额幅度应大于单匝应用场合。

　　6、 对开关元器件，所带的负载属于不同类型时，降额参数和降额系数也会有所不同。如继电器的触点电流，在带电感负载时，继电器触点额定电流指标取Ⅲ级的降额系数为0.9；带电阻负载时，继电器触点额定电流指标取Ⅲ级的降额系数为0.5；带电机负载时，继电器触点额定电流Ⅲ级降额系数为0.9。

　　7、对于MOSFET（或IGBT）功率开关管，当为感性负载时，因为断开瞬间电感反向电动势的作用，会导致在MOSFET开关管的DS两端（IGBT的CE两端）形成较高尖峰电压，因此感性负载时MOSFET的VDS（IGBT的VCE）电压需要重点降额，以避免高压击穿的风险；而当为容性负载的时候，在刚刚导通的瞬间，对电容近乎短路电流的充电，该电流会经过开关管，则需要重点关注功率开关管的导通电流指标进行降额。

　　8、 功能相同、但生产工艺不同的元器件，对同一参数指标的降额幅度也会不同，如钽电解电容和铝电解电容，其直流耐压指标的Ⅲ级降额系数分别是0.75（铝电解电容）和0.7（钽电解电容）；膜式电阻与线绕电阻的功率指标Ⅲ级降额系数分别是0.7（膜式电阻）和0.6（精密型线、对大规模IC和高集成度元器件，主要降额系数为结温。

　　10、 另外有些元器件的参数还不能降额，比如继电器的驱动线圈电流，如果降额，则导致驱动电流产生的电磁力下降，从而使继电器触点的吸合力度不够，抗振抗冲击性能变差；光学元器件降额后，会导致发光强度减弱，影响显示效果。

　　降额等级的分类为系统设计和设计管理提供了思路，在项目设计开始，针对系统整机的降额系数、各部分的组成，确定出适宜的降额等级，然后根据相关标准查找对应的降额系数。如果系统应用于特定行业，在设计上有特殊要求，如对煤矿井下设备的防爆要求，对手持设备的低功耗要求，对医疗设备的低漏电流要求，还有一些特殊要求的安规指标等，可以根据专标要求单独确定；对通用元器件没有专门安规技术要求的，推荐参考《GJB/Z 35 元器件降额准则》标准的规定进行降额，尤其是关键部件、功率元器件、驱动执行机构元器件、易坏部件，其降额系数一定要给出明确的等级要求和参考值，不可仅仅依据经验来选择。

　　环境应力：指元器件所处工作环境条件下，温度以外的其他外界因素，如灰尘、温度、气压、盐雾、腐蚀等。

　　时间应力：指元器件承受应力时间的长短（承受应力时间越长，越易老化或失效）。

　　通过降额设计，使元器件工作中所承受的应力低于其额定值，可达到延缓参数退化，增加工作寿命，提高使用可靠性的目的。降额设计有两大问题，一是分级，二是合理选择降额参数。

　　降额分三个等级（见表1），对于一台整机或一个独立的系统，其各组成部分的降额等级可以是不一样的。例如整机降额等级确定为Ⅲ级，对其中的重要关键部分及易失效部分，可以采用一个稍高的降额等级Ⅱ级，而其他部分为Ⅲ级。如小区监控系统，户内设备因为其工作环境条件较好，可以采用Ⅲ级降额，而户外摄像头中的电路可以采用Ⅱ级降额。

　　降额的等级应按设备可靠性要求、设计的成熟性、维修费用和难易程度、安全性要求，及对设备重量和尺寸的限制因素，综合权衡，确定其降额等级。常规地面民用设备一般推荐选取Ⅲ级降额即可。

　　元器件环境应力大小直接影响元器件的失效率，虽然降额考虑的主要因素是电应力和温度，但并不仅仅是主要性能指标才需要降额，需要结合使用条件环境进行分析，确定受应力条件影响最大的指标要素。如220V电源输入端的对地电容，耐压是降额的重点指标，但用在潮湿环境条件下，漏电流也是安规的一个关键指标。因此总结起来，降额要关注的主要技术点如下：

　　·降额参数的基准要考虑电路稳态工作、瞬时过载、动态电应力等条件下的综合应力叠加；

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

　　·继电器触点电流，按容性负载、感性负载及阻性负载等不同负载的性质，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；

　　·电连接器对工作电流降额和工作电压降额，降额程度根据触件间隙大小及直流和交流电源而定；

　　一是降额幅度并不是越大越好，各类元器件均有一个最佳降额范围（一般推荐经验值在40%～80%之间，此范围为一般元器件常用区间，仅供参考），在此范围内应力变化对其故障率的影响较大，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，甚至个别元器件还会因为降额过度而引入新的失效机理。典型案例如瓷片电容的低压失效，大功率晶体管在小电流下，大大降低放大系数，参数稳定性也会降低。

　　二是有些指标是不允许降额的，如继电器的吸合驱动线包电流，降额后会影响被吸合触点的可靠接触力大小；发光二极管、数码管电流与亮度成比例关系，降额会影响其发光的基本功能。

　　薄膜电阻有金属氧化膜和金属膜两种，高频特性好，电流噪声和非线性都较小，阻值范围宽，温度系数小，性能稳定，是使用较广泛的一类电阻器，降额参数是电压、功率和环境温度。

　　线绕电阻分精密型与功率型。线绕电阻器具有可靠性高、稳定性好、无非线性，以及电流噪声、温度和电压系数小的优点，降额的主要参数是功率、电压和环境温度。

　　电阻网络装配密度高，各元件间的匹配性能和跟踪温度系数好，对时间、温度的稳定性好，降额参数是功率、电压和环境温度。

　　电位器的优点是可调，但对振动敏感。虽然可以通过在调节柱上涂抹固定胶来解决，但胶状粘接物与调节铜柱、电位器塑料外壳一起，会因对温度冲击敏感而导致粘接松动，从而在振动时引起转动位移，阻值容易漂移，振动场合下一般不推荐采用。

　　结合以上电阻的特点，以及最坏电路情况分析方法，在电阻设计选用计算时，需要针对不同工艺对其对应的参数进行计算，并留出余量。

　　在元器件选型计算中，常对单一参数进行计算，但实际元器件，经常会有相互影响的关联指标。比如人的呼吸频率快了，单次呼吸的气量就会小，想要单次气量大，就得深呼吸，频率一定会减慢。同理，电子元器件的功率与工作温度也是一对这样相互影响的参数。两个参数相互影响的表征形式是负荷特性曲线。元器件负荷特性曲线所示为一精密电阻的负荷特性曲线，横轴是电阻工作环境的额定温度，纵轴是电阻上消耗功耗的百分数。

　　由图1可以看出，在超过70℃后，电阻上消耗电功率的大小就会按照一个斜率逐步递减。这个递减的斜率取决于电阻的散热能力。即使在绝大部分元器件的数据手册里，未给出这条明确的曲线，但一般最高温度Tmax、功率P、热阻R（单位℃/W，在热设计一章有详细讲解）的指标都会给出来，递减的斜率是热阻的倒数，由此就可以推导出这条负荷特性曲线。

　　负荷特性曲线的降额是先将功率降额（降额因子×元器件标称功率），然后对结温降额（按照目前国内一般采用《GJB/Z35 元器件降额准则》的标准，按照对系统所设定的降额等级，确定电阻的降额等级（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级），在标准中找到对应该降额等级的结温降额因子，确定了降额之后的结温点，经过该结温点左斜向上画一条直线，该直线与原负荷特性曲线的下降段平行，最后与功率降额的水平线中虚线部分。

　　在降额计算时，需要保证元器件长期工作状态下的静态工作点必须位于降额后负荷特性曲线.电位器降额计算

　　电位器是可调元器件，其降额系数与固定不可调电阻相比有所不同，主要体现在功率的降额上，见表4。

　　电位器降额的主要参数是电压、功率和环境温度。由于电位器部分接入负载，其功率的额定值应根据作用阻值按比例进行相应降额。随着大气压的减小，电位器可承受的最高工作电压也减小，使用时应按元件相关详细规范的要求进一步降额。

　　虽然也有具体的计算方法，但实际使用中，笔者并不建议使用电位器，一是机械可调元器件对振动敏感，二是抗功率过流能力差。

　　电容直流耐压降额的计算，要求电容耐压×降额因子的计算结果，不得超过电路实际最高峰时的工作电压。

　　集成电路分模拟类和数字类两类，根据制造工艺的不同，又可分为双极型、MOS （CMOS）型以及混合集成电路。

　　集成电路芯片的电路单元小，导体截面电流密度很大，因此在有源结点上会存在高温，称之为结温。高结温Tj是对IC的最大破坏性应力。集成电路降额的主要目标是降低高温集中部分的温度，避免热损伤和高温下的快速老化。

　　输出电流降额将使扇出减少，可能导致使用元器件的数量增加，反而使设备的预计可靠性下降。降额时应防止这种情况的发生。

　　（1）在元器件数据手册上，一般都会给出电源电压的额定值容差，设计时以此容差为标准即可；

　　（1）电源电压从额定值降额，但电源电压降额后不应小于推荐的正常工作电压，且输入电压在任何情况下不得超过电源电压；

　　（2）输出电流从额定值降额，仅适用于缓冲器和触发器，从IOL的最大值降额。工作于粒子辐射环境的元器件需要进一步降额；

　　其次，混合集成电路基体上的互连线，根据工艺的不同，其功率密度及最高结温也应符合表11所列的要求。

　　晶体管有很多种类型，但无论哪种类型，降额参数都基本相同，即电压、电流和功率。只有MOS型场效应晶体管、功率晶体管和微波晶体管的降额有些特殊要求。

　　高温与电压击穿对于晶体管来说是两个主要破坏性应力，因此功耗 / 结温、电压必须降额。

　　而功率晶体管有二次击穿的现象，因此要对其安全工作区进行降额；在遭受由于多次开关过程所致的温度变化冲击后，会产生“热疲劳”失效，使用时要根据功率晶体管的相关详细规范要求限制壳温的最大变化值。

　　上表中，反向电压从反向峰值工作电压开始降额、电流从最大正向平均电流开始降额、功率从最大允许功率开始降额。

　　电感元件包括各种线圈和变压器。电感元件降额的主要参数是热点温度，降额参数和降额系数见表15。

　　为防止绝缘击穿，线圈的绕组电压应维持在额定值。工作在低于其设计频率范围的电感元件会产生过热和可能的磁饱和，使元件的工作寿命缩短，甚至导致线圈缘破坏。绕组电压和工作频率是固定的，不能降额。

　　电感元件的热点温度值与线圈绕组的绝缘性能、工作电流、瞬态初始电流及介质耐压有关。电感元件的热点温度确定可用下述公式。

　　R为温度为（t+ΔT）时的线圈电阻，单位是Ω；r为温度为t时的线圈电阻，单位是Ω；

　　切忌用触点并联方式来增加电流量。因为触点在吸合或释放瞬间并不同时通断，这样可能在一个触点上通过全部负载电流，使触点损坏。

　　电感负载断开的瞬间，电感抑制电流突变，抑制的方式是产生反向电动势，反向电动势加上源电压，会形成一个瞬间的高压，而恰在此时，继电器触点正处于断开的瞬间，在断开的两个触点之间，会产生一个很大的场强E=U/d（U为反向电动势+源电压之和，d为触点的间距），巨大的场强会击穿触点间的绝缘层，从而产生拉弧。高温的拉弧会严重伤害触点。一般的解决方法是在继电器触点两端并联阻容吸收回路或者钳位电路。

　　电容和白炽灯泡负载的开/关瞬间，其瞬态脉冲电流可比稳态电流大十倍，这种瞬态脉冲电流超过继电器的额定电流时，将严重损伤触点，大大降低继电器的工作寿命。因此应采取相应的防范措施。

　　环境温度的升高，将使线圈电阻加大。为使继电器正常工作，米乐 M6米乐需要有更大的线圈驱动功率。