降额设计是常用可靠性设计方法之一，在工程上如何应用呢？本文分享关于降额设计的案例，供学习参考。

1、半导体集成电路降额设计实施示例

(1) 模拟电路(运算放大器)降额设计实施示例

要求：对国产运算放大器进行I级降额。

实施：从数据手册上查得某型号运算放大器的额定值如下：

正电源电压  V_CC=+22V；负电源电压   V_EE=－22V

输入差动电压V_ID=±20V；输出短路电流 I_OS=20mA

最高结温    T_jm=150℃

总功率      P_tot=500mW；热阻q_JC=160℃/W

在70℃以上，按－6.25mW/℃降额。

根据规定，以I级降额为例计算得出：

 正电源电压  V_CC=+15.4V；负电源电压   V_EE=－15.4V

输入差动电压V_ID=±12V；输出短路电流 I_OS=14mA

总功率      P_tot=350mW；最高结温    T_jm=80℃

根据“输入电压在任何情况下不得超过电源电压”的原则，输入差动电压V_ID应不大于±15V。II级和III级降额的计算可依此类推。

为了使结温和功率同时满足链接表规定的降额因子要求，放大器必须根据不同的降额等级工作在图1所示降额曲线的范围内，T_C为器件壳温。

图1  国产运算放大器降额曲线

(2) 数字电路(TTL电路)降额设计实施示例

要求：对国产TTL门电路进行I、II、III级降额。

实施：从数据手册上查得某型号TTL门电路的额定值如下：

电源电压    V_CC=5.0±5%V；  电源电流I_CC=27mA(不带负载)

输入高电平  V_IM=2.0V;    输入低电平  V_IL=0.8V

输出高电平  V_OH=2.4V;    输出低电平  V_OL=0.4V

扇出        N_O=20；     热阻   q_JC=28℃/W

从链接表有关说明中的规定，降额后的扇出N_O及最高结温为：

N_O=20×0.8=16；

I、II、III级降额的最高结温分别为：85℃、100℃、115℃。

最坏情况的静态功率P_D：此时V_CCⅠ=5.15V、V_CCⅡ=V_CCⅢ=5.52V，

I级  P_DI=5.15×27=139.05mW；

II、III级 P_DII=P _DⅢ=5.25×27=141.75mW；

已知每个典型TTL门的V_OL=0.4V、I_OL=1.6mA，当N_O=16时，该电路所带的最大负载功率P_L=16×0.4×1.6=10.24mW

I级总功率  P_tot=139.05+10.24=149.29mW»0.149W

II级、III级总功率 P_tot=141.75+10.24=151.99mW»0.152W

壳温  T_C=T_jm－P_tot×q_JC

对于I级   T_CI=85－0.149×28=80.83℃；

II级       T_CII=100－0.152×28=95.74℃；

III级      T_CIII=115－0.153×28=110.74℃。

通过热分析或热测量，该电路壳温超过上述范围时，功率(输出电流)必须进一步降额，以保持最高结温在链接表规定的范围内。

2、 半导体分立器件降额设计实施示例

(1) 晶体管降额设计实施示例

晶体管反向电压或电流和结温降额容易实现，下面介绍功率降额和安全工作区降额。

1)功率降额

晶体管允许的总耗散功率与环境温度T_A(或壳温T_C)的关系可用图2的“功率—温度负荷特性曲线”来表示。

图2(a)、(b)、(c) 阴影部分分别为I、II、III级降额的允许工作区。降额的曲线均与额定值曲线平行。晶体管功率与壳温的降额曲线示例见图3。

小功率晶体管最大额定功率对应的环境温度通常在－55℃~+25℃之间，当超过了温度上限后，其允许的总耗散功率值线性下降，直至下降到0，此时的环境温度(或壳温)对应于晶体管的最高结温。曲线斜线部分的斜率约等于热阻的倒数，它与器件的物理常数有关。

功率晶体管降额也应同时考虑满足功率和温度的降额曲线要求，其降额曲线见图4所示。

2) 安全工作区降额

大功率晶体管的数据手册中通常给出一个确定的安全工作区(SOA)，当器件在安全工作区内工作时，应保证不发生二次击穿现象。

图5是大功率晶体管典型的直流工作安全工作区曲线。安全工作区降额应按表6对最大额定集电极电流I_C和集电极—发射极电压V_CE进行降额，再对功率限值和二次击穿限值进行降额。安全工作区降额应用示例见图5。

(2) 二极管降额设计实施示例

二极管反向电压、电流和结温降额容易实现，下面介绍功率降额。

二极管允许的总耗散功率(或电流)与环境温度(或壳温)的关系可用“功率(或电流)一温度负荷曲线”表示，见图6。

小电流或小功率二极管最大额定电流或功率对应的环境温度范围通常在-55℃~+25℃之间，当超过了温度上限后，其允许的电流或功率将线性下降，直至下降到0，此时的环境温度T_A(或壳温T_C)对应于二极管的最高结温。曲线斜线部分的斜率约等于热阻的倒数，它与器件的物理常数有关。

图2  晶体管功率降额曲线

(a)I级降额工作区；(b) II级降额工作区；(c) III级降额工作区

图3  开关晶体管功率—壳温降额曲线

图4 功率晶体管降额曲线 

图5  大功率晶体管安全工作区降额

图6  整流二极管电流—环境温度降额

 (3) 可控硅降额设计实施示例

可控硅降额设计实施与(2)二极管降额设计实施示例相同。其平均电流与环境温度的降额曲线示例见图7。

图7  可控硅降额曲线

3、 电阻器降额设计实施示例

各类电阻器(包括电阻网络和电位器)降额设计实施较容易。下面仅对不同类别电阻器的额定功率值与环境温度关系(电阻器负荷特性曲线)作说明。

对应不同的电阻器，由额定功率值，额定环境温度(见元件详细规范，图8示例为70℃)及电阻器零功率点的最高环境温度(图8示例为130℃)，可直接作出电阻器负荷特性曲线或由生产厂给出。进而由功率降额要求画出与负荷特性曲线的平行线。由图8可见，在环境温度不大于70℃(元件额定功率允许的最高环境温度见详细规范)时，各级功率降额可按额定功率降额；在环境温度大于70℃时，考虑环境温度的降额影响，电阻器功率必须作进一步降额。

图8  某合成型电阻器降额曲线

4、 电容器降额设计实施示例

典型的钽电解电容器(不包括钽箔电容器)的降额曲线示例如图9所示。图中所示的钽电容器的额定电压时最高环境温度为85℃，电解电容器应降额至65℃，对应I、II、III级降额的工作直流电压与额定直流电压之比分别为0.5、0.6和0.7。

对于最高环境温度超过85℃时的电容器降额曲线形状仍与图9相似，但电解电容器最高电压为类别电压，对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级降额的工作直流电压与类别电压之比仍为0.5、0.6和0.7。最高环境温度125℃则降额至105℃。

 图9  电容器降额曲线