電子產品可靠性設計中的潛電路分析

摘要：本文介紹了潛電路分析的方法、潛電路分析工具、潛電路分析中注意的問題。

關鍵詞：潛電路；潛電路分析工具

電子產品可靠性設計涉及到諸多學科，為了增加電子系統的可靠性，設計師們應用了有效的可靠性保障技術(如降額設計、熱分析和電應力分析、電磁兼容設計)。很多系統的崩潰都是由部件級的故障導致的，但是故障不是由其零部件損壞所導致的。系統中沒有一個部件發生損壞，但系統非正確的運行卻導致了整個系統的癱瘓。設計錯誤可以抑制系統正常功能或者得到不希望的功能，這些事件可在現代武器體系中造成危險甚至悲慘的結果。比如，因為一個未被檢測出的設計錯誤，導彈在沒注意的情況下就發射了。在這些非故意事件中的一個極重要的因素就是“潛電路”。

潛電路(也叫做潛在電流路徑)是可以導致不期望的功能或者抑制了正常功能的電流路徑。它不考慮元件的損壞。基于潛電路分析的重要性，美軍標MIL-STD-1543要求航空、航天、水中交通工具和導彈系統進行潛電路分析。我國軍標GJB450A中也對潛電路分析進行了定義和要求，目前我國在航空航天等的重要軍工項目也全部要求進行潛電路分析。

潛電路的例子

警用貨車在購買之后改裝電路，增加了一個控制開關，2.4Hz閃光繼電器和一個二極管來控制車頂的藍色閃光燈。打開閃光控制開關后車頂燈亮，剎車燈和倒車燈2.4Hz頻率閃亮。但是這時候形成一個潛電路，如紅色線路。脫離了變速箱換檔鎖。通常是踩下剎車踏板才可以掛擋行駛，這時候誤踩油門踏板，車輛也可以掛擋行駛，造成嚴重的交通肇事。

哪些電路容易形成潛電路?

電子設計中容易造成潛路徑的電路主要是模擬的功率開關電路。潛電路本質上不適用于數字電路，因為一個設計中完全的數字部分實際上從未傳遞功率流而僅僅是信號。然而數字電路的輸出常常直接控制危險負載，并且邏輯的失敗可以導致錯誤地激活這些負載。數字電路失效更多的可能是由于時序問題、錯誤的邏輯、內存失敗和其他原因。這些問題是使用數字仿真和電路仿真來解決的。

識別潛電路的方法

分析許多潛電路案例后，人們找到了經常導致潛電路的拓撲模式。這些拓撲模式和潛電路有獨特的關聯性。潛電路分析傳統方法是手工分析并且轉換原理圖，形成一個網絡樹并且把線索表應用到達些樹。網絡樹的建立是一個拓撲格式，電源在樹的頂端，底端是地，圖2是網絡樹的實例。

識別潛電路使用的拓撲模式主要有以下幾種：

·單線

·多電源(Y模式)

·多地(例Y模式)

·多電源和多地(x模式)

·H模式

H模式是所有模式中最重要的，潛電路大多數來自這個模式。這個模式的特點就是兩個節點五個分支，每個分支可以包含不同的元件。兩個分支來源于一個或多個電源并且兩個其他的分支最終到地。第五個分支就是連接兩個節點的橫梁，位于橫梁上的電路元件允許雙向電流流過。

潛電路分析不能廣泛的進行是因為：

·潛電路分析花費昂貴，勞動量大并且需要不受約束的承包商采用專門的工具進行分析，而且分析人員也是要經過專業培訓；

·分析需要全部的原理圖信息，通常是在設計的后期或者在生產的早期進行分析。因此導致修改設計帶來的非常大的花費和困難；

·如果將潛電路分析從機構內部分離出來，有時候會導致錯誤的鑒別，或者鑒別出的問題并不是需要修正的問題。

潛電路分析工具

由于潛電路分析的市場和技術需要，國外很早就有專門潛電路分析工具。潛電路分析工具(SCAT，Sneak Circuit AnalysisTool)技術是由美國SoHaR公司與美國空軍發展中心的Rome實驗室共同發展起來的。最早是在工作站基礎上使用的，傳統的潛電路分析技術是先自動產生網絡樹，然后人工來識別潛路徑。隨著計算機技術的發展SCAT已經發展的PC版，不需要使用傳統的網絡樹，也不需要識別拓撲模式。可以應用在設計的早期階段，避免了為產生網絡樹而消耗的時間和工作。設計工程師或者可靠性分析人員利用這個工具可以迅速識別和糾正潛路徑和相關的設計缺陷。

歐洲宇航局SNAP也是專門用于潛電路分析的工具。我國自己也研制了CSAS潛電路分析軟件。SCAT潛電路分析工具工作流程如圖3所示。

潛電路分析需要注意的幾個問題

·網絡表文件的導入：目前國內原理圖設計工具種類很多，每個工具產生的數據格式不同。利用潛電路分析工具需要將這些不同種類的原理圖轉換成可以讀取的EDIF2.0.0和EDIF3.0.0格式。

·元件庫模型：潛電路分析工具使用的模型和一般的電路仿真庫模型不同，相對簡單很多。工程師可以輕松建立新的元件庫模型。這些模型只考慮元件管腳的連通性。連通性確定了有什么方式電流流經這些設備端口。允許電流流動的任何兩個湍口列在同一排并且用逗號分開。例如，一個電阻的端口名字是N1和N2，因為電流可以雙向流過這些一個電阻上的端口，這個模型將是“NI，，N2”。二極管的模型是“N+，N-”。表示電流從N+端口流到N-端口，但是不可以反向，用單個逗號表示。如果一個端口沒有電流流到另一個端口，那么這個端口顯示就是他本身，這個情況就像場效應管的門。每一套端口的名字用標簽來前綴并且和以端口名字相關的類別順序全部排列。下面兩個例子是二極管和場效應管，表示的是模型庫文件內容。

·電源和回線：

電源端口的選擇包括：

·經過連接器進到設備內部的所有外部AC/DC電源；

·所有內部產生和管理的AC／DC電源；

·電路板上電池；

·具有足夠大能量的，能夠引起敏感元件錯誤動作的端接。

電源回線：

·所有數字地；

·所有底盤地；

·所有AC/DC回路；

·能夠吸收能量的其他信號線。

·電容：電容在電路中使用方式有兩種，一種是直流電路，一種是交流電路。需要分析電容是短路還是斷路狀態。

·開關：開關有兩種模式需要選擇其中之一，一個是先通后斷模式，一個是先斷后通模式。

結語

潛電路分析(SCAT)已經使用了30年以上，最初的計算機半自動版本是波音公司在1967年用于NASA阿波羅項目。雖然我們的電子技術發展很快，集成電路的發展取代了分立元件的使用，減少了潛電路發生的幾率，但是技術的進步對可靠性要求也是越來越高，如今SCA的應用包括所有的功率開關電路，潛電路分析可以預防在正常情況下由于人為加電造成的危險或者在錯誤情形下人為加電導致的潛電路。使用線索表是傳統的，也是經典的，但是需要專業人員付出時間和精力才能很好地完成潛電路分析。PC的發展給電子設計工程師提供了自動的潛電路分析工具。潛電路分析工具將幫助電子設計師盡早的發現潛電路，減少設計錯誤和設計缺陷，提高系統的安全性和可靠性。