潜在电路分析在产品可靠性设计中的应用

Posted 2021-04-19 可靠性知识

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电子设备的大多数故障都是由元器件故障引起的。但随着产品电子/电气系统的技术和功能复杂性越来越高，逐渐发现复杂系统现场出现的故障在很多情况下很难追溯到低层次部件、元器件的失效或故障，非器件失效原因导致的系统故障居高不下。系统失效，有时并非由于元器件损坏、参数漂移或偏离精度所致，而是系统内潜在电路作用造成的。为了避免潜在电路造成系统故障，提高产品安全性可靠性，近年来，潜在电路分析技术在产品设计过程中应用越来越广泛。

潜在电路产生的原因

潜在电路是电子/电气系统中存在的一种设计意图之外的状态，在一定的条件下，能够导致系统产生非期望功能或抑制期望功能。它具有潜藏性，而一旦激励条件得以满足，往往表现出“突然发生”、“出人意料”、“巨大破坏性”等特点。潜在电路对电子/电气系统的危害是巨大的，而在规模较大、组成复杂、接口众多、设计水平参差不齐的产品研制过程中，由于系统复杂、各级设计人员缺乏对产品的整体把握、设计人员对设计要求理解不一致等原因，很容易在设计中引入潜在电路。

潜在电路的表现形式

潜在电路有四种表现形式：潜在路径、潜在时序、潜在指示和潜在标志。这四种潜在电路对电子/电气系统的危害都是很大的。潜在路径和潜在时序被激发时可能激励负载，或者屏蔽本应激励工作的负载，有可能损坏设备，甚至对人员造成伤害。潜在指示对系统的直接影响通常局限在所指示的子系统，不明确的或者错误的指示，可能导致系统或者操作者做出与设计意图不一致的动作。潜在标志是一种系统功能错误的或者不严密的标志，会导致操作者对系统进行错误的操作。

潜在电路分析时机及目的

潜在电路分析应在系统设计基本完成、能完整提供设计数据的情况下，尽可能早地进行。若在产品研制的后期再进行潜在电路分析，此时要解决所发现问题所需进行的设计更改难度更大，使产品研制费用大大增加，并影响研制进度。潜在电路分析的目的就是在假设所有元器件及部件均未失效的情况下，从系统工程的角度，通过事先进行的分析工作，发现电路中可能存在的、或在一定的激励条件下可能产生非期望功能或抑制期望功能的潜在状态，以保证电路安全可靠。

潜在电路分析方法

潜在电路分析流程如图1所示。首先是收集与产品相关的电路数据，通过划分和电路简化形成比较简单的单元，进而开展网络树绘制和拓扑模型识别，最后应用线索表对拓扑模型逐一进行潜在电路分析和确认。

图1 潜在电路分析流程图

1.数据收集分析

数据收集是开展分析工作的第一步，潜在电路分析是否有效，很大程度取决于数据的完整性、准确性，所以要全面系统收集与分析相关的数据。数据资料要能真实反映当前设计技术状态、准确表达任务要求和设计意图。对物理实现进行潜在电路分析时，要收集直接用于生产制造的图纸或物理连接等数据。

2.电路划分简化

划分是将一个复杂的电子/电气系统按一种规范的、有序的划分方式，比如按电源和配电总线、二次电源负载、指示或监控电路以及接地网络这样顺序，逐级进行划分，划分为功能和结构相对简单、易于识别的电路。划分过程中要综合考虑分析程度和工作量，不能划的太粗，太粗不易拓扑识别，也不能划的太细，太细会增加分析工作量。电路简化包括通路简化和元器件简化。通路简化就是保留接通电源和接地总线的通路，去掉其他无关路径。元器件简化就是指在不影响电路功能的前提下，保留含有源器件、开关、负载、继电器及晶体管等元件，去掉含接插件、连接点及接线板等互连元件。

3.网络树绘制

网络树是对电路系统进行划分和简化后获得的树状网络示意图。在通路简化、元器件简化的基础上，将电源置于电路顶端，把接地置于底部，并使电路按电流自上而下的规则排列，形成易于识别典型拓扑结构模型的网络树。图2为某发射控制电路简化图及其部分网络树示意图。

图2 某发射控制电路简化图及其部分网络树示意图

网络树具有如下特征：

1）网络树是系统电路按一定规则简化和拓扑划分形成的；

2）网络树能简明表达元器件管脚之间的电器连通关系；

3）网络树易于识别其中的典型拓扑结构模型。

根据经验，对于规模小于50个元器件的系统，网络树绘制可以采用人工方法完成，但对于大于50个元器件规模的系统，建议由潜在电路分析辅助软件系统完成。

4.拓扑模型识别

网络树构成之后，下一步就是确认在每棵树中出现的基本拓扑模型。所有的电路，无论多么复杂，都可由直线形、电源拱形、接地拱形、组合拱形及H形五种基本电路拓扑模型组成，如图3所示。

图3 基本拓扑模型

基于结构功能相似原理，结构类似的电路应该表现出类似的电路行为。因此，只要识别出一个电路中存在哪些电路拓扑模型就能识别出该电路的全部行为，进而识别出系统中的潜在电路。

5.线索表应用

线索表实际上是潜在问题分析提示用的一个经验知识库。这种知识越全面越丰富，对于潜在电路分析的提示、引导作用就越全面越准确，就越能发现潜在的问题。线索表可以看成是成功分析潜在电路的金钥匙。潜在电路分析线索有三大类，拓扑结构线索、功能设计线索和元器件应用线索。拓扑结构线索是关于电路拓扑结构方面线索，这类线索用于揭示特定的拓扑结构可能表现出的特性，包括五种基本电路拓扑结构线索和工程拓扑结构线索；功能设计线索是关于系统功能单元设计的线索；元器件应用线索是关于元器件应用方法、规范的线索。

在产品设计过程中应根据设计阶段选择相应线索。

1）设计早期：当电路拓扑结构已确定，应采用拓扑结构线索，遵守这些规则避免将潜在电路引入设计。如果电路拓扑结构还没有确定，那么应从功能上对接口进行定义，待接口定义明确之后在进行分析；

2）设计中后期：此时设计进入功能模块级，有了功能图、选定了元器件就可应用功能设计线索、元器件应用线索。对于复杂系统，主要关注关键系统功能有关电路的规则应用。

3）当设计进行到生产制造阶段，可综合应用拓扑结构线索、功能设计线索、元器件应用线索进行全面的潜在电路分析。

例如对图3中最简单的直线形网络树，有三条判断潜在电路的线索：

l  当需要负载L1时，开关S1是否处于断开状态；

l  当不需要负载L1时，开关S1是否处于闭合状态；

l  S1的标记是否反映负载L1的真实功能，即负载L1接入或脱离电路时，S1是否指示断开或闭合。

如果上述三条线索中有一条回答“是”，在此情况下系统会因为存在潜在电路而故障。

6.分析与结论

对识别出来的拓扑模型应用其对应的线索表逐一进行潜在电路分析，寻找潜在电路问题。分析人员要将发现的潜在电路问题，按潜在路径、潜在时序、潜在指示、潜在标志四类进行分类汇总，与系统设计人员共同分析确认，确定这些问题在设计中是否确实存在、系统的任务过程中是否可能被激发等，提出改进建议。

实施要点

1）应在工程研制中尽可能早的阶段，开展潜在电路分析。分析时，一般不考虑环境变化的影响，也不识别由于某些硬件故障、制造或对环境敏感所引起的潜在电路。

2）潜在电路分析只注重系统各元、器件之间的相互连接、相互关系及相互影响，而不注重元、器件本身的可靠性。其在假定所有元、部件正常工作的情况下，系统会发生什么故障，而且考虑人为的差错。因此潜在电路分析和其他可靠性分析是相辅相成的。

3）在确定潜在状态时，必须满足首要条件是保证用于分析的电路能代表实际的系统电路。在识别系统潜在电路时，使用详细的生产图及装配图要比使用系统级或功能级图纸更为有效。

4）对于复杂的系统，进行潜在电路分析的工作量大，因此，一般借助于计算机。

5）分析团队最好由系统设计人员、系统领域专家和潜在电路分析专家三方面人员组成，确保分析工作有效开展。

结束语

潜在电路分析是一项重要的可靠性、安全性的分析技术。经过40多年的发展，已经在产品研制生产使用过程中发挥了重要作用。在复杂电子/电气系统设计中，潜在电路往往是不可避免，而且影响很大。因此，有必要在产品设计过程中，遵循防潜在电路设计准则，开展潜在电路分析，把事故隐患消除在产品设计、生产阶段，从根本上提高产品安全性可靠性。