可靠性仿真技術在電路設計中的應用與分析＊

王文智 寧 琦

（1.中航工業西安航空計算技術研究所 西安 710119）（2.東北電子技術研究所 錦州 121000）

1 引言

隨著科學技術的發展，大規模和超大規模集成電路的誕生，導致對電子設備功能、集成度、復雜度和可靠度的要求越來越高。在此背景下，電子設備傳統的可靠性設計、驗證方法和手段已不能滿足對電子設備可靠性水平的評價需求，因此需要探求一種適合于對電子設備可靠性水平評估的驗證方法，并指導可靠性設計工作。可靠性仿真技術是一項可以對電子設備設計缺陷和可靠性設計水平進行驗證與評估，并指導電子設備改進和完善設備的新興技術，是進行電子設備初期可靠性驗證與評估的技術之一。本文將通過一例典型電路開展的可靠性仿真工作，闡述可靠性仿真試驗時機、流程、方法、評估數據、試驗結論及對一典型電路完善設計的指導作用［1］。

2 可靠性仿真技術與傳統可靠性設計技術分析

可靠性是指電子設備在規定的條件和規定的時間內，完成規定功能的能力。傳統可靠性設計、驗證方法，一般采用在規定的可靠性指標前提下，完成電子設備的設計，開展可靠性預計工作，之后根據可靠性預計［3］結論對電子設備進行完善設計，并開展新一輪的可靠性預計工作，直至可靠性預計結果滿足指標要求；在完成上述工作后，開展電子設備的生產、調試和可靠性驗證（一般采用定時結尾的試驗方式）工作；傳統可靠性技術雖然能夠準確地對電子設備可靠性指標進行評估，但費用高、周期長，同時其驗證方法對可靠性指標高的電子設備不具備可操作性［2］。

隨著仿真技術的不斷發展，仿真技術已在可靠性領域得到了廣泛應用，并形成了一門新興的可靠性仿真技術。可靠性仿真技術與可靠性強化、可靠性加速和可靠性增長等驗證方法共同形成了一種新型可靠性驗證技術，有效地解決了傳統可靠性技術存在的費用高、周期長和高指標無法驗證等問題。通過可靠性仿真技術，電子設備在設計初期實現了可靠性評估，通過評估發現電子設備設計初期存在的設計薄弱環節和潛在故障發生的位置及原因，通過完善設計有效地提供了電子設備的可靠性設計水平。可靠性仿真技術與傳統的可靠性設計、分析和試驗方法對比如表1所示。

表1 可靠性仿真方法與傳統可靠性設計方法對比

3 可靠性仿真試驗的流程、方法及評估

可靠性仿真試驗適用電子設備設計初期，可以有效地發現電子設備設計階段存在的潛在故障和設計方面的薄弱環境，并對完善設計具有指導意義。下面通過一典型電路的可靠性仿真試驗過程，較為詳細地介紹了可靠性仿真試驗的流程、方法及評估［3］。

3.1 可靠性仿真試驗流程

可靠性仿真試驗一般分為五個步驟，流程見圖1。設計人員應首先關注第1個步驟，并應按要求詳細提供電子設備相關信息［5］，第2～第5步驟由專業軟件和專業設備實現［4］。

圖1 可靠性仿真試驗流程

3.2 可靠性仿真試驗

依據可靠性仿真試驗流程，一種典型電路（電源模塊）的可靠性仿真試驗按如下規定的方面開展工作［5］。

3.2.1 設計信息采集

為有效地開展電源模塊可靠性仿真試驗工作，需詳細提供電源模塊的應用環境和使用方式，提供電源模塊電路設計，提供設計中采用的元器件、原材料特性（主要包括元器件、原材料技術指標、尺寸、重量、封裝形式等信息）及數量。

1）環境試驗剖面：明確電源模塊試驗環境剖面（如圖2），試驗環境應力包括溫度應力和振動應力。

圖2 電源模塊可靠性仿真試驗綜合剖面

2）電源模塊信息收集：收集的信息包括電源模塊PCB設計信息、全部元器件信息（型號、封裝、重量，尺寸等）。根據電源模塊PCB設計信息，電路模塊由印制板1塊、元器件27個（八類）。電源模塊信息收集示意表如表2所示。

表2 信息收集表

3.2.2 數字樣機建模

電源模塊數字樣機建模［7］采用專業軟件實現，一般分為熱設計信息和振動設計信息兩類建模方式，建模步驟如下［6］

1）根據收集的電源模塊信息，經過適當簡化建立CAD數字樣機模型；

2）結合電源模塊CAD數字樣機模型，并根據熱設計信息建立CFD數字樣機模型；

3）結合電源模塊CAD數字樣機模型，并根據振動設計信息建立FEA數字樣機模型；

4）CFD數字樣機模型的修正與驗證：為保證CFD數字樣機模型與物理樣機的一致性，通過對電源模塊工作狀態熱測量試驗的方法，取得電源模塊關鍵元器件點溫度測試數據，并根據熱測量試驗結果，對電源模塊CFD數字樣機的邊界條件、器件參數等部分進行修正，最終完成對CFD數字模型的修正，從而保證CFD數字樣機的準確性。電源模塊關鍵元器件溫度應力分析結果與熱測量試驗結果對比情況見表3，表中兩種分析結果的誤差滿足要求，表明了溫度應力分析采用模型的正確性；

表3 溫度應力分析結果與熱測量試驗結果對比

5）FEA數字樣機模型的修正與驗證：為保證FEA數字樣機模型與物理樣機的一致性，通過對電源模塊采用模態試驗的方法獲取試驗數據，對FEA數字樣機的初始模型進行修正。試驗中，對電源模塊重點部位、關鍵元器件進行約束條件下的模態分析，并根據電源模塊試驗的模態結果對FEA數字樣機模型修正。FEA數字樣機模型修正后的振動應力分析結果與模態試驗結果對比情況見表4，表中兩種分析結果的誤差滿足要求，表明了振動應力分析采用模型的正確性。

表4 振動應力分析與模態試驗結果對比

3.2.3 應力分析

1）溫度應力分析

溫度應力分析［8］采用Mentor Graphics公司的FloTHERM V9.1對電源模塊CFD數字樣機模型進行分析計算。通過溫度應力分析可以發現，由于電源模塊設計中存在的元器件排布不合理，導致電源模塊熱分布過于集中等設計缺陷［7］。

分析過程中，平臺環境溫度70℃，該溫度設定為第一參考溫度條件，電源模塊表面均溫度72℃（通過表面積加權計算）定為第二參考溫度條件。電源模塊所在分機的溫度場分布結果見圖3，電源模塊溫度分析結果見表5。圖3中的深色區域為電源模塊熱分布較為集中的部位，經對電源模塊電路設計圖分析，該區域內排布了為電源模塊所在分機提供5V工作電源的功率器；表5中的電源模塊最高溫度82.5℃，電源模塊應進行改進設計。

圖3 電源模塊所在分機溫度場分布圖

表5 電源模塊溫度分析結果

2）振動應力分析

振動應力分析采用ANSYS公司的ANSYS Workbench 12.1對電源模塊FEA數字樣機模型進行分析計算。通過振動應力可以發現電源模塊設計中存在的元器件數量和重量排布、安裝方式等不合理，導致電源模塊局部產生共振等設計缺陷。電源模塊諧振頻率及位置見表6。根據表6電源模塊一階模態條件下，產生諧振頻率區域為模塊中心偏上，該區域主要為印制板，產生諧振的原因是印制板強度問題和兩個體積、重量較大器件的臨近安裝問題；二階模態條件下，產生諧振頻率區域為模塊中心上方，該區域主要為印制板無元器件，產生諧振的原因是印制板強度問題；三階模態條件下，產生諧振頻率區域為模塊中心偏左，該區域主要為5V供電功率器件和印制板，產生諧振的原因是印制板強度問題和該功率器件的重量及安裝問題［8］。

表6 電源模塊諧振頻率及位置

3.2.4 故障預計

圖4 電路模塊故障預計分析示意表

采用CalcePWA軟件建立電源模塊的故障預計分析模型，分析電源模塊可能存在的潛在故障點位置及在預期時間內可能發生故障的元器件。電路模塊故障預計分析示意表見圖4。

3.3 可靠性仿真評估

1）利用Matlab軟件，根據故障預計分析輸出的潛在故障點的故障首發時間及相關仿真數據，采用競爭失效的原則，通過單點故障密度分布擬合、多點故障密度分布融合分析等方法，電源模塊可靠性仿真評估結果見表7。

表7 可靠性仿真評估結果

圖5 電源模塊潛在故障示意圖

2）電源模塊PCB板正面偏左處的電源模塊元器件D2左下角處加速度均方根值及位移均方根值較大，如圖5所示。

4 可靠性仿真試驗的作用

4.1 指導設計改進

根據電源模塊可靠性仿真試驗結果，對電源模塊在模態仿真試驗暴露的局域振動偏大，電源功率器件溫度高等設計缺陷，通過加裝導熱冷板等方式實現了如下兩方面的設計完善，消除了電源模塊存在的故障隱患［9］：

1）增強了印制板結構強度，改善了電源模塊元器件D2的諧振狀態；

2）導熱冷板有效的傳導了電源模塊元器件D2產生的熱量，降級了電源模塊該區域的溫度。

4.2 評價與認識

通過電源模塊可靠性仿真試驗過程，對可靠性仿真技術在電子設備研發過程中的作用有如下三點認識與評價：

1）可靠性仿真試驗能夠發現電子設備各階段設計初期存在的各種設計缺陷和故障隱患，明確設計缺陷和故障隱患的原因和位置，指導改進設計；

2）可靠性仿真試驗能夠在短期內完成對電子設備可靠性評估，并給出定量指標，指導電子設備設計方案的改進；

3）可靠性仿真試驗作為仿真技術在可靠性工程中的研究成果，以其周期短、費用低、約束條件少、評估準確率較高等優點將成為提高電子設備可靠性設計水平的支撐工具，并將得到廣泛應用。

5 結語

通過可靠性仿真試驗在電源模塊中的具體應用，加深了對可靠性仿真試驗的理解，掌握了可靠性仿真試驗實施流程、分析方法及開展時機。可靠性仿真試驗具有經濟性好、應用范圍廣、難度小、周期短等優點。相信可靠性仿真試驗作為一種全新的、有效的可靠性研究與驗證方法，必將在提高電子設備可靠性設計能力和水平方面得到更廣泛的應用并取得良好效果［10］。

［1］賈占強，蔡金燕，梁玉英，等.產品性能可靠性評估中的環境因子仿真研究［J］.紅外與毫米波學報，2010，29（3）：172－175.

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［5］殷世龍.武器裝備研制工程管理與監督［M］.北京：國防工業出版社，2012.

［6］GJB／Z299C－2006［S］.電子設備非工作狀態可靠性預計手冊

［7］楊志飛，李平.以故障為核心的工程可靠性［M］.北京：國防工業出版社，1995.

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