電子產品的潛在通路分析

摘 要：潛在通路給電子產品甚至人身安全帶來巨大的威脅，通過潛在通路分析，對系統設計缺陷和潛在問題進行分析，能將隱患消除在設計階段，對提高電子產品安全性和可靠性極為重要。本文就電子產品的潛在通路分析進行了簡要的探討，有一定的借鑒意義。

關鍵詞：潛在通路；電子產品；潛在分析；SCA

1 引言

在電子產品設計時，經常會由于設計者無意因素，使得系統中存在產生非期望功能或抑制期望功能的電路，從而給系統甚至人身安全造成巨大危害。為了解決這類潛在問題，潛在通路分析技術（SCA）應運而生，用以分析系統可靠性設計缺陷和潛在問題，將隱患消除在設計階段，從而提高系統的可靠性和安全性，避免災難性事故的發生和由此帶來的巨大經濟損失。早在1967年，阿波羅登月計劃中，為了提高系統安全性和可靠性，美國國家宇航局就投資進行了潛在通路分析技術的研究，并由波音宇航公司承擔，經過多年的摸索與實踐應用，波音公司已經建立起了一套相當完善的潛在通路分析體系。雖然潛在通路分析技術最初主要應用于軍事領域，不過如今潛在通路分析技術已經日臻完善，在國外形成了波音公司、歐洲空間局和SoHar公司為代表的三種分析方法和手段，并開發出較為成熟的應用軟件系統，被廣泛應用于工業、民用等各個領域。我國自九十年代初開始了潛在通路分析技術的研究，到目前已經在工程應用上取得了突破性進展。下面，本文以開關電路為例，就電子產品的潛在通路分析進行淺要的探討。

2 潛在通路分析基本理論

2.1 潛在通路分析基礎

潛在通路是電子系統中的一種非期望通路或邏輯流，是設計師無意中設計進系統的電路，當特定條件下潛在通路會造成系統功能異常，這種異常與元器件失效無關并非由硬件故障造成。潛在通路一般表現為潛在路徑、潛在時序、潛在指示和潛在標志四種形式。潛在路徑是電流、電能、邏輯序列以非期望的路徑或方向流動；潛在時序是系統事件以非期望順序出現；潛在指示是系統出現非期望的、含糊的、虛假的指示；潛在標志是系統錯誤或不準確的標志功能。在這四種形式中，潛在指示和潛在標志，會引起系統扣作者出現非期望操作而導致錯誤結果，屬于廣義的潛在通路，在電子產品設計時常見的為潛在路徑和潛在時序兩種狹義的潛在通路。

2.2 潛在通路分析過程

潛在通路分析需要對系統電路進行拓撲簡化，建立電路電流模型，從而對系統潛在通路進行識別，如逆向電流、過流、非預期交互等。具體應用時，首先要將系統電氣原理圖進行簡化，去掉細節，僅以電源、節點、開關、負載、地等將元件連續接成網絡樹建立模型。然后對利用模型分析各節點的電流流動，所有系統都可以由5種基本的電路拓撲圖形構成，分別為單地單電源單線型、雙地單電源接地拱型、單地雙電源電源拱型、雙地雙電源交叉組合拱型、雙地雙電源橋接型。在簡化為節點拓撲圖后，再對電路可能存在的問題進行檢查，包括傳統電子潛在通路分析、數字潛在通路分析、軟件潛在通路分析等。

3 開關潛在通路分析

3.1 分析模型

開關電路是電子產品中應用極為廣泛的一種電路，在通信系統、自動控制系統、計算機系統、網絡系統中都非常常見。在對開關電路的潛在通路進行分析時，需要先為開關電路建立模型，將系統電氣特性隱去，把系統簡化抽象為一個集合，分別應用節點和邊對應系統電路中的網絡節點和元器件、功能模塊。在對開關電路進行潛在通路分析時，代表功能元器件和開關器件的邊是分析的重點。在分析功能元器件或功能模塊時，如果在開關組合狀態下邊存在于電源結點和地結點之間的通路上實現了設計功能，則表示該邊為功能支路。開關電路模型的邊具有雙態性，在分析開關器件潛在通路時，代表開關器件的邊并非是持續有效導通的，當開關器件斷開時如果兩端并不存在通路則表示開關器件的邊無效，如果開關閉合時邊存在通路則表示開關器件的邊是有效的則為開關支路。因此在建立開關電路模型時，要引入開關支路狀態變量以體現雙態性，以Xi來表示第i條支路的無效或有效狀態，Xi為0時表示該支路不通，Xi為1時表示該支路導通。開關器件的狀態直接決定了電路功能，表現在潛在通路分析模型中則為開關支路的無效和有效。

整個模型的功能狀態可以利用開關函數來表示，該函數為各支路狀態變量函數，在實際分析中，對于簡單的系統，開關函數可以直接觀察獲得，對于復雜的系統，開關函數可以利用矩陣理論通過計算機科學求解。電子產品的設計通常需要分為多個分系統進行設計，尤其是大型系統通常由多個部分配合進行，各分系統間只留一個接口，在對這類系統進行潛在通路分析時，不需要將系統整合后統計分析，僅對分析統進行建模分析后再通過簡化計算即可獲得整個系統的開關函數。這是由于潛在通路分析時，主要關注于電源至地間的通路情況，因此主要集中在電源結點與地結點之間的開關函數即可，含有相同功能支路的項可以合并計算。

3.2 潛在通路的定性分析

潛在通路分析工作量極大且繁雜，為了減少工作量，可以先對系統是否存在潛在通路進行定性判定，再確認潛在路徑。在判定系統是否存在潛在通路時，可以建立系統電源節點與地節點間的開關函數多項式。如果實際電路實現功能數大于設計功能數，則表示系統存在非期望功能潛在通路；如果實際電路實現功能數小于設計功能數，則表示系統存在抑制期望功能潛在通路；如果實現功能數和設計功能數相等，則表示系統不存在非期望或抑制期望功能潛在通路。不過這種判定方法并不能完全判定系統是否存在潛定通路，還需要對單一功能的實現過程進行分析。對單一功能實現過程進行潛在通路分析時，如果設計功能實現方式大于實際電路功能實現方式，則表示存在抑制潛在通路；如果設計實現功能方式小于實際功能實現方式，則表示存在非期望潛在通路；如果設計實現功能方式等于實際功能實現方式，則表示系統不存在對該功能實現具有影響的潛在通路。通過對系統和單一功能進行分析，最終對系統是否存在潛在通路進行定性分析。

3.3 潛在通路的確定

在對系統進行潛在通路定性分析后，如果系統存在潛在通路，則可以對系統潛在通路進行確定。確定潛在通路具體位置或狀態時，首先根據系統開關函數組合判定出非期望功能路徑，以判定出缺少的功能路徑、抑制的功能路徑、增加的功能路徑。然后，根據單一功能模塊，結合功能模塊開關器件開關組合狀態，分析存在問題的功能支路的潛在通路位置。此時，需要首先確定設計實現功能的開關組合狀態，再根據開關函數分析實際功能開關組合狀態，確認實際開關組合狀態下功能的實現情況，最后將設計功能開關組合狀態和實際電路功能開關組合狀態進行對比，得出分析結果。

參考文獻

[1]郭永林，齊楠楠.基于鄰接表存儲結構的潛藏通路搜索算法的研究[J].科學技術與工程，2007（8）.

[2]劉丙杰，賈興亮，趙永剛.潛在通路存在的判定方法研究[J].航天控制，2009（27）.

[3]丘東元，涂文鵑，張波.諧振開關電容變換器的潛電路特性[J].電子學報，2007（21）.