元件衰退無可避免，但可避免系統故障與使用者受傷

電路設計人員，尤其是實作類比功能 (如感測器前端或電源供應器) 的設計人員，在他們的世界中，元件的規格無法避免會隨著時間推演 (老化)、頻繁使用、電壓與溫度變化而漂移與改變。因此，設計人員必須將這些變化納入考量，以免最終產品在部署後與規格不符。至少不會提早發生不符合規格的情況。

當然，對故障防護的需求比電子產品來得早。Westinghouse 的失效安全式鐵路煞車在 1800 年末期就開發，並且沿用至今。在此架構中，需有壓縮空氣來鬆開煞車。如果壓縮機、壓縮空氣儲存槽或空氣軟管發生任何故障，煞車會嚙合且不會鬆開。

對電子產品來說，原則是相同的：我們設計時會盡可能降低故障風險，若發生故障也會盡可能降低損害程度。但有一點要注意：除了失效安全措施外，我們也努力達到自行修復。

故障防範

有幾種標準作法可預防衰退問題變成真正的問題；這些作法可單獨使用或綜合運用：

1：選擇具有適當嚴謹規格的元件，以因應會受到老化、溫度變化和工作點變化而有所漂移的相關關鍵參數。但這通常是較為昂貴的作法。規格夠嚴謹的零件可能根本無法供應，即便有供應，供貨量也有限。

2：需在產品使用過程中定期進行校準程式。這需要至少一個「金級」元件，例如在時間與溫度變化下依舊展現優異穩定性的參考電壓。此元件可當作校準程序的標準。同樣，這種頂級元件可能成本高昂或供應有限。此外，整體系統架構和軟體必須包含額外的校準電路，例如高解析度類比數位轉換器 (ADC) 和對應的校準軟體。

3：使用能自行消除諸多錯誤的的架構或拓撲。有個方法可辦到，就是使用差動電路，其中的類比前端 (AFE) 的兩個「引腳」會彼此追蹤，因此差動相當低。若放大器的輸入電阻可放在同一個晶粒上，就特別有吸引力，例如，Texas Instruments 的 INA133UA 差動放大器以及 R1 和 R3 (圖1)。

圖 1：若要達到最佳效能，INA133UA 差動放大器的輸入電阻位於同晶片上，因此可彼此追蹤，不受溫度與其他工作條件變化的影響。(圖片來源：Texas Instruments)

在此範例中，內部電阻在每個最佳情況下會偏斜 ±3 Ω，與其　25 KΩ 標稱值偏離 ±0.012%；實際上，在生產單元上的準確度僅可達 ±15%。儘管 ±0.012% 的偏離看似很小，但在講究效能準確度的情況下，這已經是可接受的極限；在最糟情況下的 ±15% 準確度則會讓效能超出設計限制。但更重要的因素在於，兩個電阻在溫度與其他工作條件變化下幾乎會一致彼此追蹤，因此其差動比維持不變，造就高準確度的電路。

同樣地，經典的惠司同電橋也利用比例式輸入／輸出關係，其更重視元件比而非其絕對值 (圖 2)。使用此比例關係來維持準確且一致的效能更為輕鬆。

圖 2：知名的惠司同電橋採用電阻臂的比值而非絕對值，來測量訊號並使其無效；比值幾乎不受非相關變化的影響。(圖片來源： PEIO.org)

當良好元件開始劣化：失效安全與自行修復

若元件在漂移或老化後不符規格，就會產生問題。若元件受壓力而發生局部故障，或因為製造瑕疵而演變成內部故障，也會產生問題。

在絕大多數情況下，此問題並無輕易的解決之道。在關鍵任務或危險電壓應用中，設計人員需要考量潛在故障的影響，並思考如何減輕潛在風險，或是提供額外一層保護 (通常是由法規標準所制訂)。

舉例來說，線路供電的醫療電子產品可能需要隔離變壓器，因為若有內部元件或發生絕緣故障時，要藉此避免即使很微小的電流流向接地。同樣地，線路供電 (非電池供電) 的電動工具現在會使用雙層絕緣的外殼，搭配使用者可碰觸的非導電式零件。如此一來，即便內部高電壓線路對機殼產生短路，危險電流也沒有機會流向 (且穿透) 使用者，甚至在 AC 電源線中沒有安全接地電線的情況下也一樣安全。

在其他情況下，設計人員可挑選適合的元件，例如會在局部故障後恢復的電容，或至少以無害的方式衰退。例如，Electronic Concepts Inc. 的 5MPA2475E 等金屬化聚丙烯薄膜電容可在高過載或電壓暫態而導致介電質出現故障後自行修復 (圖 3)。

圖 3：5MPA2475E 等金屬化聚丙烯薄膜電容可自行修復因突波或電壓暫態所導致的局部故障 (短路)。(圖片來源： Electronic Concepts Inc.)

絕緣破裂時，會在破裂處形成短暫且高度局部性的電弧。電弧產生的密集高溫會導致電弧周圍的金屬化部分蒸發 (圖 4.2)，同時會將電極再次絕緣，並且保持電容的運作與完整性。

圖 4：金屬層 (a) 與聚丙烯薄膜 (b) 之間形成故障電弧時，就會在破裂處啟動自行修復流程 (1)；該區的金屬化會蒸發 (2)；留下絕緣區，可讓層別之間保持隔離，並讓電容繼續運作 (3)。(圖片來源：Schneider Electric；由 Bill Schweber 修改)

其他電容則不會修復，但有「良性故障模式」。即便發生短路故障，以 AVX 的 TCOD106M050R0150E 鉭質聚合物電容為例，就不會出現不想要的暫態熱事件 (發弧或密集爆焰)，在使用許多二氧化錳 (MnO₂) 陰極鉭質電容時可能會出現此情況，進而導致燃燒及／或起火。

結論

設計人員必須依據產品應用的情況，將完全或局部故障對效能的影響納入考量。智慧型手機中若有故障的電源子系統元件，並不會讓使用者或系統遭受風險，但線路供電的電源發生短路就可能會輕易發生問題。這就是為何幾乎所有這類電源都有元件來預防過電流與過壓情況、負載端短路，甚至是過溫時的熱截斷情況。

在理想或未來世界中，故障的元件會開始自行修復，就像人體皮膚、骨骼與其他器官一樣，在許多情況下，只要受損不嚴重就會開始自行修復。但目前，要達到接近自行修復的效果，僅可透過系統層級複雜的機制才有可能達成，例如備援電路搭配一些自動化或手動的切換配置。

然而，設計自行修復電線、被動元件甚至是主動電路元件的挑戰，已經成為許多大學院校研究人員努力克服的項目之一 (見參考資料)。誰知道，或許有一天，某個單獨元件就會啟動自行修復模式，並成為設計與運作的標準配備之一。

推薦閱讀

1：《瞭解聚合物與混合式電容》

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-polymer-and-hybrid-capacitors

2：《創客與工程師：瞭解您的儀器放大器以準確擷取 IoT 資料》

https://www.digikey.com/en/articles/makers-engineers-get-to-know-instrumentation-amplifier-accurate-iot-data-capture

3：《感測器與適當調整：第一篇 - 壓阻式電橋感測器》

https://www.digikey.com/en/articles/sensors-and-their-proper-conditioning-part-1---piezoresistive-bridge-sensors

外部參考資料

• Texas Instruments, “Difference Amplifiers—the need for well-matched resistors”
• European Passive Components Institute, “When benign is better: fail safe capacitor technology”
• European Passive Components Institute, “The self-healing characteristics of metallized film capacitors”
• AVX, “Technical Summary and Application Guidelines”
• AVX, “MLCC & Tantalum Interchangeability”
• AVX, “Conductive Polymer Capacitors Basic Guidelines”
• Kemet Electronics Corporation, “New Reliability Assessment Practices for Tantalum Polymer Capacitors”
• Kemet Electronics Corporation, “Evaluation of Polymer Counter-Electrode Tantalum Capacitors for High Reliability Airborne Applications”
• Vishay, “Conductive Polymer Capacitors: Frequently Asked Questions (FAQs)”
• Schneider Electric, “What is Self-healing for capacitors?”
• Electronic Concepts, Inc, “The Self-Healing Affect of Metallized Capacitors”
• University of Texas, “New ‘Self-Healing’ Gel Makes Electronics More Flexible”
• Tech Briefs, “Scientists Invent Self-healing Battery Electrode”
• Tech Briefs, Self-Healing Wire Insulation