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可靠性方法之電路容差分析
發(fā)布時(shí)間:2019-11-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】分析電路的組成部分在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)其參數(shù)偏差和寄生參數(shù)對(duì)電路性能容差的影響,并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。
依據(jù)
● GJB450A-2004《產(chǎn)品可靠性工作通用要求》
● GJB/Z89-97《電路容差分析指南》
適用對(duì)象與適用時(shí)機(jī)
電路容差分析主要適用于系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路。電路容差分析工作應(yīng)在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段已經(jīng)具備了電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)資料后完成。
電路性能參數(shù)發(fā)生變化的原因
電路性能參數(shù)發(fā)生變化的主要表現(xiàn)有性能不穩(wěn)定、參數(shù)發(fā)生漂移、退化等,造成這種現(xiàn)象的原因有:
● 組成電路的元器件參數(shù)存在著公差
● 環(huán)境條件的變化產(chǎn)生參數(shù)漂移
● 退化效應(yīng)
電路容差分析程序
電路容差分析的流程圖,其主要步驟如下:
電路容差分析流程
No.1 確定待分析電路
● 嚴(yán)重影響產(chǎn)品安全的電路;
● 嚴(yán)重影響任務(wù)完成的電路;
● 昂貴的電路;
● 采購(gòu)或制作困難的電路;
● 需要特殊保護(hù)的電路。
No.2 明確電路設(shè)計(jì)的有關(guān)基線:
● 被分析電路的功能和使用壽命;
● 電路性能參數(shù)及偏差要求;
● 電路使用的環(huán)境應(yīng)力條件(或環(huán)境剖面);
● 元器件參數(shù)的標(biāo)稱值、偏差值和分布;
● 電源和信號(hào)源的額定值和偏差值;
● 電路接口參數(shù)。
No.3 電路分析
對(duì)電路進(jìn)行分析,得出在各種工作條件及工作方式下電路的性能參數(shù)、輸入量和元器件參數(shù)之間的關(guān)系。
No.4 容差分析
容差分析包括:
(a)適當(dāng)選擇一種具體分析方法;
(b)求出電路輸出性能參數(shù)的偏差范圍,找出對(duì)電路性能影響敏感度較大的參數(shù)并進(jìn)行控制,使電路滿足要求。
No.5 分析結(jié)果判別
偏差范圍與電路性能指標(biāo)要求相比較,比較結(jié)果分兩種情況:
(a)符合要求,則分析結(jié)束;
(b)若不符合要求,則需要修改設(shè)計(jì),直到所求得的電路性能參數(shù)的偏差范圍完全滿足電路性能指標(biāo)要求為止。
最壞情況分析法
最壞情況分析法是分析在電路組成部分參數(shù)最壞組合情況下的電路性能參數(shù)偏差的一種非概率統(tǒng)計(jì)方法。它利用已知元器件參數(shù)的變化極限來(lái)預(yù)計(jì)系統(tǒng)性能參數(shù)變化是否超過(guò)了允許范圍。最壞情況分析法可以預(yù)測(cè)某個(gè)系統(tǒng)是否發(fā)生漂移故障,并提供改進(jìn)的方向,但不能確定發(fā)生這種故障的概率。該法簡(jiǎn)便、直觀,但分析的結(jié)果偏于保守。
No.1 計(jì)算模型
應(yīng)用最壞情況分析法的基礎(chǔ)是建立數(shù)學(xué)模型,就是把電路性能參數(shù)X1,X2,......,Xn表示為設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù),即:
為了便于分析,最壞情況分析法采用靈敏度來(lái)度量設(shè)計(jì)參數(shù)偏差對(duì)電路性能參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度計(jì)算公式如下:
式中:下標(biāo)“0”——標(biāo)稱值。
靈敏度還可以表達(dá)為:
式中: Xi0 ——電路性能參數(shù)的標(biāo)稱值;
△Xi ——設(shè)計(jì)參數(shù) Xi 的標(biāo)稱值;
△Y ——設(shè)計(jì)參數(shù)的偏差;
Y0 ——電路性能參數(shù)的偏差。
在確定了靈敏度的基礎(chǔ)上,計(jì)算性能參數(shù)最大偏差的方法包括線性展開法和直接代入法兩種。
1)線性展開法
電路性能參數(shù)的偏差可以采用下式進(jìn)行估算:
偏差的確定方法如下:
在求電路性能參數(shù)偏差的正極限值時(shí),若Si>0(Si''''''''>0),則△Xi=Xi最大—Xi0;若Si>0(Si''''''''>0),則△Xi=Xi最小—Xi0。
在求偏差的負(fù)極限值時(shí),若Si<0(Si''''''''<0),則△Xi=Xi最大—Xi0;
若Si>0(Si''''''''>0),則△Xi=Xi最小—Xi0。
2)直接代入法
直接代入法是將設(shè)計(jì)參數(shù)的極限值按最壞情況組合直接代入電路的函數(shù)表達(dá)式(*)中,求出性能參數(shù)的上限值和下限值。
在求電路性能參數(shù)的上限值時(shí),若 Si>0(Si''''''''>0),則參數(shù) Xi 取 Xi最大,若 Si<0(Si''''''''<0),則參數(shù) Xi 取 Xi最小。在求電路性能參數(shù)的下限值時(shí),若 Si>0(Si''''''''>0),則參數(shù) Xi 取 Xi最大,若 Si<0(Si''''''''<0),則參數(shù) Xi 取 Xi最大。
No.2 實(shí)施步驟
采用最壞情況分析法進(jìn)行電路容差分析的實(shí)施步驟如下:
(a)確定電路設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)稱值和偏差(或者參數(shù)變化范圍);
(b)推導(dǎo)出電路性能參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系;
(c)計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度;
(d)在容差分析精度要求不高時(shí),采用線性展開法計(jì)算出電路性能參數(shù)的偏差;在容差分析精度要求較高時(shí),采用直接代入法計(jì)算出電路性能參數(shù)的偏差。
No.3 計(jì)算示例
某串聯(lián)調(diào)諧電路在組成上包括:1個(gè) 50±10%μH 的電感器和1個(gè) 30±5%pF 的電容器。要求最大允許頻移為0.2MHZ,試采用最壞情況分析法進(jìn)行容差分析,確定出諧振頻率的偏差量,并判斷是否滿足要求。
(a)電路設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)稱值和偏差量如下所示:
(b)建立電路的函數(shù)關(guān)系。諧振頻率與電感L和電容C之間的函數(shù)關(guān)系如下所示:
(c)計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度,如下:
(d)采用直接代入法計(jì)算電路性能參數(shù)偏差。
將L=50μH 和 C=30pF代入計(jì)算公式,得到諧振頻率標(biāo)稱值:
f0=4.2161MHz
將L=45?H和C=28.5pF代入計(jì)算公式,得到諧振頻率的上限值:
fu=4.41825MHz
將L=55?H和C=31.5pF代入計(jì)算公式,得到諧振頻率的下限值:
fl=3.80175MHz
因此,諧振頻率的偏差值為:
由于計(jì)算出的偏差值大于允許要求,因此該設(shè)計(jì)方案不能滿足容差要求。
仿真方法
目前很多EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件都具有仿真計(jì)算和容差分析功能。
為了進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,必須首先建立待分析電路的仿真模型,即利用軟件提供的工具,建立待分析電路的原理圖,并進(jìn)行初步的電路功能仿真,驗(yàn)證建立的原理圖與待分析電路的一致性。然后可以根據(jù)需要選擇進(jìn)行最壞情況分析、蒙特卡羅分析,或者環(huán)境溫度影響分析。
各種方法的適用性:
下表給出各種容差分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。應(yīng)根據(jù)電路的特點(diǎn)、復(fù)雜程度、經(jīng)費(fèi)以及已有的條件,按下表來(lái)選擇容差分析方法。
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