电子可靠性技术:最坏情况分析方法

　　最坏情况分析方法将传统电子可靠性和电路仿真分析方法有机结合，产生一种全新的可靠性技术。与传统的可靠性技术相比，这种新技术具有优良的实用性，能对电路进行深入而全面的可靠性分析。

　　容差分析是当前电子可靠性设计中最先进的技术之一，代表着电子可靠性设计的一个重要发展方向。最坏情况分析(WCCA)是容差分析的一种主要技术。这是一种电路可靠性分析设计技术，用来评估电路中各器件参数同时发生最坏情况变化时的电路性能，用以保证电路在整个寿命周期内都能够可靠工作。WCCA是一种全面系统分析电路可靠性的方法，在电子可靠性设计中将占据重要地位。

　　电路中各电子器件在初始容差外还存在着潜在的大幅变化，器件参数变化可能是寿命或环境应力影响的结果，这种变化能使电路性能超出规格要求，WCCA可以用来检查这种变化引起的电路性能变化。

　　

 

　　图1：一个带通滤波器的最坏情况分析。

　　电子器件失效有两种模式：一种是灾难性的，即电路突发异常，导致灾难性结果;另一种是随着器件参数变化，在超过典型和初始容差极限时，尽管电路可以继续工作，但是其性能已经降低，超出电路要求的工作极限。为了避免器件灾难性失效，采用最坏情况电应力和降额分析可保证电路中所有器件都正确降额。

　　WCCA现已成为行业标准，其主要内容包括：

　　A. 针对器件参数变化，评估电路容差。1. 在各种环境应力处于极限情况下，对电路性能容差极限进行严格的数学评估;2. 器件参数变化的最坏情况;3. 环境极限、温度等;4. 输入功率;5. 输入激励上下限;6. 极端情况下的负载变化;7. 最大的接口干扰。

　　B. 器件评估。1. 最坏情况下的过应力(最坏情况电应力分析);2. 不正确的器件应用。

　　C. 形成正式文档。

　　有三个主要原因需要应用这些分析方法：1. WCCA可将可靠性落实到硬件设计中，使硬件长期无故障工作;2. WCCA已被FDA(美国联邦食品药品管理局)正式接受为设计验证工具;3. 使用最坏情况器件参数变化数据库，WCCA可以更经济、更容易实现。

　　WCCA的产出价值在于投资回报既有短期的，如减少设计重复、设计更改、和测试时间，也有长期的，如生产效率的增加、长寿命、无故障工作等。

　　WCCA分析过程

　　对一个电路板原理图进行WCCA分析，首先将电路分为几个简单的功能模块，然后对每个模块进行WCCA分析。分析人员应首先对每个模块给出详细的描述文档，然后对电路中的所有器件的关键参数进行最坏情况变化分析，给出每个参数的最大值和最小值。建立每个模块的关键电路性能需求。使用根据最坏情况下的最大最小值，分析人员可判断出电路的实际性能是否超过了电路要求。最后，分析人员要确定在最坏情况下，所有电路模块一起工作时能否满足整个电路板的规格要求。

　　

 

　　图2：典型值为1,200uF的电容的最坏情况器件参数变化。

　　下面对图1中的带通滤波器进行案例分析，给出WCCA分析的性能和结果。对电路的中心频率放大器增益进行分析。假设U6是一个理想放大器(RIN=∞, ROUT=0, AVOL=∞)，不考虑它，电路的放大增益计算公式如下，Eq1

　　性能要求Af0最小值为7V/V，电阻和电容的典型值和初始容差如下：

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　　将器件的典型值代入Eq1得到Af0=11.08V/V，显示结果是满足要求的。如果考虑较差的情况，代入每个器件参数的初始容差(±1%)，得到Af0=7.84V/V，也在要求范围内。必须注意，器件电阻和电容的初始容差是电路在典型设计和分析时经常采用的，但是，这些值并不表示电路在实际环境中的真正情况。

　　最坏情况器件参数变化库

　　器件供应商设定器件的初始容差(采购容差)，这仅仅保证器件在采购时，所有器件的各个批次都在初始容差范围内，并不保证器件参数会一直在这个容差范围内。器件在工作环境中，其参数会偏移初始值。在许多情况下，特别是在长时间使用后，器件参数偏移会大于初始容差。每种可能的最大偏移都累加在初始容差上，如图2所示。

　　

 

　　图3：电阻和电容的最坏情况最大最小值。

　　WCCA是假设器件使用后，其参数已经处在初始容差值。同时又假设电路中的所有器件同时处于最大偏移值。虽然这种情况似乎不可能发生，但它是可能存在的一个最坏情况。比较可能的情况是一些器件的部分参数超过了初始容差，但不会都达到最大偏移值。如果在最坏情况下，所有器件的所有参数都处在最大偏移值时，器件都是可靠的，那么就可以保证器件参数在一定偏移组合情况下，器件也是可靠的。计算最坏情况下的电路性能，如果没有超过规格要求，那么就可以保证整个设计对于器件参数的偏移都是可靠的。

　　开发最坏情况器件数据库是WCCA的一个重要工作，也是主要的成本所在。此工作的目标是开发一个最坏情况数据库的表格，给出器件关键参数变化的最大最小值。这个表格也给出了影响参数变化的因素，如环境、初始容差、温度、寿命和辐射等。表格还会注明这些因素是偏置型的，还是随机型的变量。此外，表格中还必须包括数据来源(美军标、供应商数据手册等)，以备跟踪。总之，这个表格体现了器件工作的各种环境因素和寿命因素对器件参数影响的一个量化评估。