電子設備抗電磁脈沖性能驗證流程制定方法研究

齊 歡，張俊楠，陳 曦，龍 梁，周春曉

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

高空電磁脈沖耦合進入電子設備后，會產生很強的電流和很高的電壓，對沒有采取防護措施或防護不到位的電氣設備造成損傷或毀壞，從而影響電子設備正常工作，甚至導致電氣系統癱瘓，造成整個任務的失敗[1,2]。合理的抗高空電磁脈沖性能的驗證流程為檢驗電子設備在高空電磁環境下的工作性能提供了支撐。本文以測試性設計[3]為依托研究電子設備抗高空電磁脈沖性能驗證流程的制定方法，研究了電子設備抗高空電磁脈沖性能可測試的設計方法[4]和抗電磁脈沖試驗的測試流程，提出表征電子設備正常運行狀態的測試流程設計方法，同時以某電子設備為例，利用所提出的方法制定驗證該設備抗高空電磁脈沖性能的具體流程。

1 性能驗證流程制定方法研究

本文的研究思路是通過系統自檢，即通過系統的測試性來檢驗系統功能，同時進行測不到項目的電磁脈沖相關性分析，并完成測試流程設計。首先提取表征系統工作正常與否的特性量，然后在此基礎上，結合測試性設計結果分析各個系統測試項目的測試覆蓋率，最后以此為依據，確定設備抗電磁脈沖試驗的測試項目、測試流程以及對測試不到項目的分析與處理方法，電子系統抗高空電磁脈沖性能驗證方法的流程如圖1 所示。本文將電子系統的抗高空電磁脈沖性能的驗證方法歸結為A、B、C、D、E 5 項任務，5 項任務逐層遞進，上一級任務的結論將作為其下一層任務的主要輸入。

圖1 抗高空電磁脈沖性能驗證方法流程 Fig.1 Procedure of Verifying Anti-electromagnetic Pulse Performance

1.1 任務A：電磁脈沖敏感設備分析

對于需要評估的電子設備，列出該設備的元器件配套表，該配套表作為任務A 的輸入。針對配套表中的所有元器件逐一進行電磁脈沖敏感度分析。根據分析結果，提取出半導體器件（含集成電路、晶體管）等對電磁敏感的元器件子集，電磁脈沖敏感器件表即為任務A 的輸出，并將作為任務B 的輸入。

1.2 任務B：電磁脈沖失效模式分析

對電子設備進行失效模式分析，首先列出設備的每一項功能，并針對各項功能分析失效模式、失效原因、失效影響，其中在失效影響分析中，具體針對每項故障模式對該電子產品、更高一級產品以及最高一級產品在工作、功能或狀態方面產生的后果進行分析。同時，給出故障檢測方法、預防措施、危害程度和出現概率等，形成電子設備失效模式分析表。

將電子設備的失效模式分析表和電磁脈沖敏感度器件表作為任務B 的輸入，兩張表格進行對照分析，提取出失效模式分析表中與電磁脈沖敏感器件相關的故障模式分析內容，形成任務B 的輸出：電磁脈沖失效模式分析表。在電磁脈沖失效模式分析表中，可只針對失效模式的影響、嚴酷度等進行分析。嚴酷度可按表1 分為災難的、致命的、嚴重的、輕度的4 類。

表1 嚴酷度類別 Tab.1 Severity Category

1.3 任務C：電磁脈沖失效模式測試方案分析

針對電子設備可能出現的失效模式制定故障測試方案，確定各個測試階段的所有測試項目、測試參數以及測試點。將該測試方案和電磁脈沖失效模式分析表作為任務C 的輸入。在測試方案中，提取出與電磁脈沖失效模式分析表項目相關的子集，即由于電磁脈沖導致的失效模式的測試項目。根據分析結果，給出電磁脈沖失效模式的測試方案分析表，作為任務C 的輸出。

1.4 任務D：電磁脈沖故障檢測率分析

對于電子設備，制定電磁脈沖專項試驗測試方案。方案給出該設備的所有測試項目，并給出每個測試項目在電磁脈沖專項試驗中的測試時機，如是否每次電磁脈沖輻照后均進行該項測試，是否每個試驗量級試驗均測試、是否是試驗起止時的測試項目。

設備研制階段，電磁脈沖試驗測試方案的制訂是一個迭代的過程。通常需要先暫定一個試驗方案，然后使用任務D、任務E 分析其故障檢測率和測不到項目的處理方案，如果不滿足要求則返回修改測試方案。最終得到完備的測試方案，以便開展后續工作。

對照電磁脈沖專項試驗測試方案，針對每個評價階段，提取電磁脈沖失效模式測試方案分析表的子集，該子集僅包含在該階段進行的測試，其余部分被認為是測不到項目。同時，對每個評價階段，分別計算故障檢測率，給出每次電磁脈沖輻照后、每個試驗量級以及試驗結束等階段的故障檢測率。

1.5 任務E：測不到項目的處理方案

以電磁脈沖試驗測試方案和電磁脈沖失效模式測試方案分析表為任務E 的輸入，結合電磁脈沖失效模式分析表，對任務D 中梳理出的每個評價階段的測試不到故障模式項目進行分析，并制定處理方案。根據具體的任務安排和失效模式的嚴酷度，處理方案可以分為以下4 種類別：

a）不處理。對于嚴酷度低，對任務的完成影響較小的失效模式可不做處理.

b）理論分析。通過理論分析即可得出失效模式影響的可不進行測試。

c）試驗后設備單元測試。

d）試驗后元器件拆解進行元器件測試。對于影響較大，且無法通過理論分析和單元測試的失效模式，可在實驗后將元器件拆解并進行元器件級測試。

2 應用示例

2.1 確定配套表

在進行抗高空電磁脈沖防護性能驗證方法時，需要先約定分析層次[5]。在實際工程中，系統集成工程師和電氣設備工程師分別在不同的層次開展分析，上一層次利用下一層次分析的結果[6]。以設備層為例，在這一層，配套表即為設備的元器件清單，即BOM 表。某樣機元器件配套如表2 所示。

表2 樣機元器件配套表 Tab.2 Component List of the Sample

續表2

2.2 敏感產品（元器件）配套表

一般來說，敏感元器件包括半導體元件等器件。因此，從元器件配套表中，即可提取出敏感產品（元器件）配套表。從表2 元器件配套表提取敏感元器件得到敏感元器件配套如表3 所示。

表3 樣機敏感元器件配套 Tab.3 Sensitive Component List of the Sample

2.3 電磁脈沖失效模式分析表

在敏感產品（元器件）配套表的基礎上，提取失效模式分析表的含敏感產品（元器件）的子集，形成電磁脈沖失效模式分析如表4 所示。

表4 樣機電磁脈沖失效模式分析 Tab.4 Analysis Table for Failure Mode of Electromagnetic Pulse of Sample

2.4 電磁脈沖測試方案設計表

在總的測試方案設計表中，通過抽取與電磁脈沖失效模式分析表對應的子集，即可得到電磁脈沖測試方案設計如表5 所示。

表5 電磁脈沖測試方案設計 Tab.5 Test Scheme for Electromagnetic Pulse

2.5 電磁脈沖故障檢測率分析

由表5 可分析出電磁脈沖相關故障的檢測率。對于本文示例樣機而言，全部電磁脈沖可能導致的故障模式均可一定程度得到檢測。

2.6 抗電磁脈沖性能的測試項目列表

通過針對表5 中每一項故障模式，制定相應的測試流程，最終得到整臺設備需要進行的測試項目列表。

對于本文示例樣機而言，依據本文分析，只需要進行低壓測試和高壓測試兩項系統級測試即可滿足要求，不需要從系統中拆下設備進行單元測試。

對于電磁脈沖防護器件是否失效，導致無法通過檢驗系統功能測試項目（低壓測試/高壓測試）的驗證，則需要對設備進行多次脈沖試驗考核，或者在試驗后對相應端口使用專用測試設備進行測試。

3 結束語

本文提出了電子設備抗高空電磁脈沖性能驗證流程的制定方法，并通過示例對該流程進行了說明。該流程的提出對電子設備抗高空電磁脈沖性能驗證方法的制定具有一定的指導意義。