電子可靠性技術:最壞情況分析方法

電子可靠性技術:最壞情況分析方法

殷志文 發表於 2012-04-25 11:01:35

　　最壞情況分析方法將傳統電子可靠性和電路仿真分析方法有機結合，產生一種全新的可靠性技術。與傳統的可靠性技術相比，這種新技術具有優良的實用性，能對電路進行深入而全面的可靠性分析。

　　容差分析是當前電子可靠性設計中最先進的技術之一，代表著電子可靠性設計的一個重要發展方向。最壞情況分析(WCCA)是容差分析的一種主要技術。這是一種電路可靠性分析設計技術，用來評估電路中各器件參數同時發生最壞情況變化時的電路性能，用以保證電路在整個壽命周期內都能夠可靠工作。WCCA是一種全面系統分析電路可靠性的方法，在電子可靠性設計中將佔據重要地位。

　　電路中各電子器件在初始容差外還存在著潛在的大幅變化，器件參數變化可能是壽命或環境應力影響的結果，這種變化能使電路性能超出規格要求，WCCA可以用來檢查這種變化引起的電路性能變化。

　　

 

　　圖1：一個帶通濾波器的最壞情況分析。

　　電子器件失效有兩種模式：一種是災難性的，即電路突發異常，導致災難性結果;另一種是隨著器件參數變化，在超過典型和初始容差極限時，儘管電路可以繼續工作，但是其性能已經降低，超出電路要求的工作極限。為了避免器件災難性失效，採用最壞情況電應力和降額分析可保證電路中所有器件都正確降額。

　　WCCA現已成為行業標準，其主要內容包括：

　　A. 針對器件參數變化，評估電路容差。1. 在各種環境應力處於極限情況下，對電路性能容差極限進行嚴格的數學評估;2. 器件參數變化的最壞情況;3. 環境極限、溫度等;4. 輸入功率;5. 輸入激勵上下限;6. 極端情況下的負載變化;7. 最大的接口乾擾。

　　B. 器件評估。1. 最壞情況下的過應力(最壞情況電應力分析);2. 不正確的器件應用。

　　C. 形成正式文檔。

　　有三個主要原因需要應用這些分析方法：1. WCCA可將可靠性落實到硬體設計中，使硬體長期無故障工作;2. WCCA已被FDA(美國聯邦食品藥品管理局)正式接受為設計驗證工具;3. 使用最壞情況器件參數變化資料庫，WCCA可以更經濟、更容易實現。

　　WCCA的產出價值在於投資回報既有短期的，如減少設計重複、設計更改、和測試時間，也有長期的，如生產效率的增加、長壽命、無故障工作等。

　　WCCA分析過程

　　對一個電路板原理圖進行WCCA分析，首先將電路分為幾個簡單的功能模塊，然後對每個模塊進行WCCA分析。分析人員應首先對每個模塊給出詳細的描述文檔，然後對電路中的所有器件的關鍵參數進行最壞情況變化分析，給出每個參數的最大值和最小值。建立每個模塊的關鍵電路性能需求。使用根據最壞情況下的最大最小值，分析人員可判斷出電路的實際性能是否超過了電路要求。最後，分析人員要確定在最壞情況下，所有電路模塊一起工作時能否滿足整個電路板的規格要求。

　　

 

　　圖2：典型值為1,200uF的電容的最壞情況器件參數變化。

　　下面對圖1中的帶通濾波器進行案例分析，給出WCCA分析的性能和結果。對電路的中心頻率放大器增益進行分析。假設U6是一個理想放大器(RIN=∞, ROUT=0, AVOL=∞)，不考慮它，電路的放大增益計算公式如下，Eq1

　　性能要求Af0最小值為7V/V，電阻和電容的典型值和初始容差如下：

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　　將器件的典型值代入Eq1得到Af0=11.08V/V，顯示結果是滿足要求的。如果考慮較差的情況，代入每個器件參數的初始容差(±1%)，得到Af0=7.84V/V，也在要求範圍內。必須注意，器件電阻和電容的初始容差是電路在典型設計和分析時經常採用的，但是，這些值並不表示電路在實際環境中的真正情況。

　　最壞情況器件參數變化庫

　　器件供應商設定器件的初始容差(採購容差)，這僅僅保證器件在採購時，所有器件的各個批次都在初始容差範圍內，並不保證器件參數會一直在這個容差範圍內。器件在工作環境中，其參數會偏移初始值。在許多情況下，特別是在長時間使用後，器件參數偏移會大於初始容差。每種可能的最大偏移都累加在初始容差上，如圖2所示。

　　

 

　　圖3：電阻和電容的最壞情況最大最小值。

　　WCCA是假設器件使用後，其參數已經處在初始容差值。同時又假設電路中的所有器件同時處於最大偏移值。雖然這種情況似乎不可能發生，但它是可能存在的一個最壞情況。比較可能的情況是一些器件的部分參數超過了初始容差，但不會都達到最大偏移值。如果在最壞情況下，所有器件的所有參數都處在最大偏移值時，器件都是可靠的，那麼就可以保證器件參數在一定偏移組合情況下，器件也是可靠的。計算最壞情況下的電路性能，如果沒有超過規格要求，那麼就可以保證整個設計對於器件參數的偏移都是可靠的。

　　開發最壞情況器件資料庫是WCCA的一個重要工作，也是主要的成本所在。此工作的目標是開發一個最壞情況資料庫的表格，給出器件關鍵參數變化的最大最小值。這個表格也給出了影響參數變化的因素，如環境、初始容差、溫度、壽命和輻射等。表格還會註明這些因素是偏置型的，還是隨機型的變量。此外，表格中還必須包括數據來源(美軍標、供應商數據手冊等)，以備跟蹤。總之，這個表格體現了器件工作的各種環境因素和壽命因素對器件參數影響的一個量化評估。

　　最壞情況資料庫提供了一種統一的參考源，以保證WCCA在任何項目都採用相同的數據源。顯然，由不同的設計工程師開發各自的資料庫是不現實的。一旦最壞情況資料庫開發成功，該資料庫就可以維護、擴充、修改並應用到其他項目。

　　

 

　　圖4：初始容差、典型值和最壞情況下的最小增益對比。

　　最壞情況中的其它影響因素

　　必須考慮的其它因素是接口連接，主要有模塊電路的輸入電源、輸入信號和負載等，這些因素都在典型值兩邊有容差極限。在進行WCCA時，這些值都必須設置為極限值，並考慮極限的正負方向。

　　

表示帶通濾波器的增益，將器件參數的典型值代入得到增益為11.08V/V，代入初始容差值增益為7.84V/V。使用典型值時，是直接代入器件參數。計算初始容差時，每個器件參數都有代數符號(+/-)，表示必須要選擇每個器件參數的正負。要計算電路性能的最大最小值必須確定採用何種器件參數的最大最小值的組合。設計人員要先確定針對每個器件參數的電路靈敏度響應方向和大小。WCCA需要進行最大最小值的電路靈敏度分析，任何靈敏度分析的錯誤都會影響最壞情況分析的準確。求解靈敏度以決定器件參數的正負方向，典型方法是求電路方程中對每個器件參數的偏微分。對帶通濾波器，求解公式如下：

。幸運的是，一些電路仿真軟體可以幫助工程師來進行靈敏度分析。

 

　　為了評估圖1和Eq1中的帶通濾波器中心頻率最小增益的最壞情況值，必須先確定電阻和電容在最壞情況下的最大最小值(如圖3所示)。

　　所有變化都被認為是偏置型變量，注意圖1中的Vi和Vo不在Eq1中，需要設定它們的最大最小容差。帶方向性的靈敏度可以使用仿真軟體執行靈敏度分析來確定，如表1。

　　根據靈敏度分析，在Eq1中代入最壞情況最大最小值，得到的增益為Af0=5.76V/V，低於最小增益要求的Af0=7V/V，如圖4所示。在前面計算的典型值和初始容差情況，Af0都是大於7V/V。可以看到典型值、初始容差和最壞情況的結果有很重大差異，這一點很重要。

　　不是一定要所有電阻電容都處在最壞情況值才會引起Af0小於7V/V，某幾個器件參數超過初始容差的組合就會引起增益低於7V/V。這種將器件最壞情況最大最小值代入到電路方程的方法稱為極值分析(EVA)。

　　WCCA的其它技術

　　執行WCCA的其它兩個方法是和方根(RSS)分析和蒙特卡羅分析。這兩種技術得到的結果要比EVA更樂觀些。

　　RSS是一種組合標準方差的統計技術，它基於大數定律(中心極限理論)。RSS表示，如果多個變量進行組合統計，則結果分布是正態的，與組合變量的分布形式無關。因此可以通過數學方法有效統計多個變量組合情況下電路性能的標準方差，每個器件的標準方差是基於電路性能針對每個器件參數的靈敏度幅值。先求出輸出變量的標準差ST，再將結果乘以3(99.7%概率)，得到最壞情況值。

 

　　表1：使用仿真軟體可得到每個器件的靈敏度。

　　蒙特卡羅分析被認為是在各種條件下對電路性能多次評估的統計結果的經驗判斷。在各種條件中，各器件的參數是隨機選擇的。採用蒙特卡羅分析，可以計算電路的平均和標準方差(δ)。3δ(99.7%)也被認為是最壞情況值。幸運的是，很多仿真軟體都可以執行蒙特卡羅分析。

　　比較三種WCCA技術

　　EVA是最簡單的技術，最容易得到最壞情況電路性能的估計，但是結果是最悲觀的。EVA需要開發電路中所有器件的最壞情況參數變化資料庫。EVA需要輸入的格式是最壞情況器件變化(最大最小值)極限(3δ)，加上電路的靈敏度方向。電路輸入結果的格式是最壞情況最大最小值。

　　RSS的結果相對而言更實際些，但是內部可能有錯誤，因為假設靈敏度是線性的，分布是正態的。RSS的輸入格式是器件參數概率分布的標準方差(一般得不到的)和電路相對器件變化的靈敏度大小。輸出格式是電路性能概率分布的平均和標準方差。

　　蒙特卡羅分析需要先了解器件參數分布(一般得不到)，然後給出準確的結果，它需要藉助電腦程式實現。蒙特卡羅分析輸入格式是每個器件參數的概率分布(不需要作靈敏度分析)。結果輸出格式是電路性能概率分布的直方圖。

　　可以看到，RSS和蒙特卡羅這兩種統計方法能預測電路性能在規格範圍內的概率，這是很重要的。而EVA不能給出得到這個概率結果。

　　本文小結

　　電子產品硬體需要在一定壽命內可靠工作，這不能僅僅依靠對器件的典型和初始容差值進行設計來實現。器件在組裝到電路板上後其參數會發生偏移，如果開發出最壞情況器件參數變化資料庫，設計人員就可以方便地得到這些資料庫，那麼電子工程師就能夠不僅做典型電路設計和分析，還可以做WCCA。

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