元器件性能退化不可避免，但系统故障和用户伤害是可以避免的

来源：Digi-Key
作者：Bill Schweber

电路设计人员——特别是那些实现诸如传感器前端或电源等模拟功能的设计人员生活在一个元器件的世界里，由于时间的推移（老化）、主动使用、电压变化和温度变化，元器件的规格将不可避免地发生漂移和变化。因此，设计人员需要考虑到这类变化，以防其最终产品在部署后超出技术规格的规定。至少不会过早出现这类变化。

当然，对故障保护的需求要早于电子学。Westinghouse 的故障安全铁路制动器于 19 世纪末开发，至今仍在使用。在这种结构中，需要采用压缩空气来释放制动器。无论压缩机、压缩空气储存器或空气软管发生任何方式的故障，都会造成制动器啮合，释放失败。

对于电子产品来说，原则是相同的：我们的设计是为了最大限度地减少故障风险以及由此造成的损害。转折点：除了故障安全措施，我们还在努力实现自我修复。

故障预防

有几种标准方法可用来避免性能退化的问题；这些方法可单独或组合使用。

1：针对与老化、温度变化和工作点漂移有关的关键参数，选择具有相应的严格规格的部件。这种方法通常相当昂贵。厂家可能不会提供规格足够严格的部件，即使有，其可用性也可能是有限。

2：在产品使用过程中定期执行校准程序。这需要至少一个“黄金"部件，如电压基准，这种器件在时间和温度上具有卓越的稳定性。该部件可以作为校准程序的标准。同样，这种顶级部件可能很昂贵或供应有限。另外，整个系统结构和软件必须包括额外的校准电路，如高分辨率模数转换器 (ADC) 和相应的校准软件。

3：使用一种具有错误自我消除功能的架构或拓扑结构。差分电路可以做到这一点，其中模拟前端 (AFE) 的两条“腿”的变化是相互跟踪的，所以差分值非常低。当放大器的输入电阻可以置于同一芯片上时，这种方法就会特别有吸引力，例如，Texas Instruments 的 INA133UA 差分放大器和 R1、R3（图 1）。


图 1：为了获得最佳性能，INA133UA 差分放大器的输入电阻是片上电阻，因此尽管温度和其他工作条件发生变化，这些电阻也会相互跟踪。（图片来源：Texas Instruments）

在本例中，内部电阻在每一种最佳情况下的偏移为 ±3 Ω，在其 25 kΩ 标称值中有 ±0.012% 的不匹配；事实上，这些电阻在不同的生产单位中可能只有 ±15% 的准确性。虽然 ±0.012% 的不匹配看起来相当小，但对于所需的性能精度来说，这已达到可以接受的极限，而最坏情况下 ±15% 的不准确度使得性能远远超出了设计极限。但更重要的因素是，这两个电阻在温度和其他运行变化中相互跟踪几乎是相同的，它们的差分比率保持不变，从而产生一个高精确度电路。

同样，经典的惠斯通电桥就利用了比率输入/输出关系，其中，元件比率是至关重要的，而非各自的绝对值（图 2）。使用这种比率关系更容易保持性能的准确度性和一致性。


图 2：著名的惠斯通电桥使用其电阻臂的比率来测量和归零信号，而不是采用绝对电阻值；相对于意外的偏移，比率相对独立的。（图片来源：PEIO.org）

当好的元件开始变坏时：故障安全和自我修复

漂移或老化超出规格的组件只是一类问题。当部件收到应力作用而部分失效或由于制造缺陷而出现内部故障时，便出现另一类问题。

大多数情况下，采用简单方法是解决不了这种问题的。在关键任务或危险电压的应用中，设计人员需要考虑潜在故障的影响，以及如何消除此类故障或提供额外的保护层（这些通常由监管标准规定）。

例如，线路供电型医疗电子设备可能需要隔离变压器，以防止内部元器件出现绝缘故障时电流流向地面，甚至是极其微小的电流。同样地，线路供电型（非电池供电）电动工具现在使用双重绝缘外壳，没有用户可以接触到的导电部分。这样，即使内部高压线与外壳短路时，危险电流也不会流向或流经用户，甚至在交流电源线中没有安全接地电源线的情况下也是如此。

在其他情况下，设计人员可以选择电容器等元件，这些元件可在发生部分故障后恢复，或者至少以良性方式出现性能退化。例如，如 Electronic Concepts Inc. 提供的 5MPA2475E 等金属化聚合物薄膜电容器会在电介质故障后自动修复，这种故障是由过载或者电压瞬态造成的（图 3）。


图 3：金属化聚丙烯薄膜电容器（如 5MPA2475E）可以自我修复浪涌或电压瞬变可能造成的局部故障（短路）。（图片来源：Electronic Concepts Inc.）

绝缘破损时，破损处会形成一个持续时间短、高度集中的电弧（图 4.1）。这种电弧产生的高热会使附近的金属化物汽化（图 4.2），同时使电极重新绝缘，保持电容器继续运行及其完整性（图 4.3）。


图 4：当故障电弧在击穿部位的金属层 (a) 和聚丙烯薄膜 (b) 之间形成时，自愈过程就开始了 (1)；该区域的金属化部分会蒸发 (2)；剩下一个绝缘区，继续保持金属层之间的隔离，允许电容器继续运行 (3)。(图片来源：Schneider Electric，由 Bill Schweber 修改）

其他电容器不会自我修复，而是具有所谓的“良性故障模式”。例如，即使在短路故障情况下，诸如 AVX 的 TCOD106M050R0150E 等钽聚合物电容器也不会出现意外的“瞬态热事件”（电弧或者剧烈燃烧），这种故障在使用许多二氧化锰 (MnO2) 阴极钽电容器时可能会发生，并造成燃烧或/和火灾。

总结

设计人员必须在产品的应用范围内考虑发生全部或部分故障时对性能的影响。虽然智能手机中的电源子系统组件故障不会给用户或系统造成危险，但通过线路供电的电源发生短路时很容易造成危险。这就是为什么几乎所有这类电源都有针对过流和过压、负载短路的保护元件，甚至提供超温条件下的热关断装置。

理想情况下，或者也许在未来的世界里，一旦发生故障元件就会进行自我修复，就像人类的皮肤、骨骼和其他器官一样，在许多情况下只要损害不大就会自我修复一样。目前，只有通过在系统层面上采用复杂的解决方案，如带有某种自动或手动切换功能的冗余电路，才有可能实现类似的自我修复功能。

然而，设计自我修复的电线、无源甚至有源电路元件的挑战是许多大学研究人员正在努力解决的问题（见参考文献）。也许有一天，独立器件可能会启动自修复模式成为设计和操作的标配。