宋志宇

（四川九洲電器集團有限責任公司 四川省綿陽市 621000）

可靠性的概念是由德國人在二戰時期研究改進他們的V系列火箭而引入來的，由此之后，世界上對于可靠性的研究討論越來越多，可靠性有了巨大的發展。在軍用裝備上，可靠性要求越來越高，尤其是在發生了例如美國航天飛機爆炸這類事件之后，全世界對可靠性的要求程度達到空前的重視。經過不斷的實踐認識，可靠性逐漸的由一個普通的概念轉化成了一門新興的學科，這門學科由最初的定性分析發展到如今的定量分析，可見對可靠性的研究勢在必行。

故障樹分析法則是由貝爾實驗室于1961年首先提出的，它是一種圖形演繹方法，將最不希望發生或故障發生后將導致災難性后果的故障作為分析目標，通過對可能造成系統故障的各種因素進行羅列分析，將系統故障與造成該故障的因素有機的聯系在一起，更能明確的定量分析其系統的可靠性。

在大型電子設備的應用過程中，由于各分系統對電源的需求不同，需要將電源進行轉化以滿足系統要求，電源模塊在其中就起到重要作用，及時發現電源模塊發生的故障，有的放矢的改進薄弱環節可以更加高效的提高電源模塊可靠性，從而保障大型電子設備的正常運行。

1 FTA分析步驟

故障樹分析時應遵循的幾個步驟：

（1）定義系統，原則上將有概率發生但不希望發生的故障作為故障樹的頂事件；

（2）根據已發現或潛在故障分析造成該故障的原因；

（3）根據故障由上至下畫出故障樹邏輯圖；

（4）對故障樹的結構開展定性分析。分析事件的結構重要度，應用布爾代數對故障樹進行簡化處理，尋找最小割集，找出薄弱環節；

（5）根據可靠性預計方法計算出元器件在使用環境下的失效率，對故障樹結構進行定量分析。

2 結構函數

故障樹是由該樹的所有底事件通過“交”、“并”的邏輯方式構成的，無論我們想要對故障樹開展定性還是定量的分析，均需要將其進行數學表達，即結構函數。

系統功能的喪失可以看作故障樹的頂事件，系統各個組件功能的喪失可以看作故障樹的底事件。若系統功能及系統組件只考慮成功或者失效兩種狀態，那么底事件可以定義為：

如果用P來表示一定時間系統的狀態，那么我們可以得到系統當前時間段的函數表達式為P=（X1，X2，……Xn）。那么，P（Xi）就是該故障樹的結構函數，其運算符合布爾運算規則。

若構成該系統的組件數為n，則我們可以得到：

（1）與門結構函數

（2）或門結構函數

圖1：電源模塊無輸出故障樹

圖2：電源模塊輸出異常故障樹

3 故障樹分析

為明確事件發生的可能性，我們需對故障樹進行定性分析，上一層級故障的原因稱作上層故障的底事件。某幾個底事件的發生會導致上一層級故障的發生，則這幾個底事件的集合我們稱之為割集。相反，系統不發生故障的底事件的集合我們稱之為路集。

當一個割集包含有最小數量且最必需底事件的割集我們成為最小割集，則所有最小割集的完成集合就包含了給定系統的全部故障模式。因此，最小割集就能描述處于故障狀態的系統可能會修理的故障，它指出了系統的薄弱環節。

當通過定性分析確定了系統故障的最小割集后，我們就需要對故障樹進行定量分析，根據構建的故障樹我們能應用邏輯與、邏輯或的結構函數清晰的定量地評定頂事件出現的概率。

4 某電源模塊要求

某電源模塊要求如下：

（1）輸入電壓范圍：+22V～+32V；

（2）輸出電壓及電流指標：+5V/4.5A，+5V/6A，+12V/3.5A，-5V/0.1A，+28V/0.5A，+160V/0.05A。

5 邊界定義

在本次故障樹分析（FTA）中，不考慮電源模塊外部輸入導致的故障，僅分析電源模塊的硬件故障模式，將故障定位隔離到功能電路。

6 故障判據

故障模式是進行FTA分析的基礎，我們通常將一個產品或者是產品的某一部分不能按規定完成相對應的功能的情況叫做故障。它的表現形式多種多樣，例如短路、斷裂、過度磨損等等。我們想要了解故障，就必須知道故障的判別標準，也就是我們通常所說的故障判據，只有這樣我們才能真正的知道產品出現的不正常情況是不是該產品的故障。

電源模塊的故障判據為電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常，故障判據表見表1。

7 故障原因

故障判據即故障模式僅僅是敘述了產品發生怎樣的故障，并沒有說出發生這些故障的原因，為了更好的提升產品的可靠性，我們還需要對發生這些故障的緣由進行追溯，這就是我們需要對故障進行的故障原因分析。一般來說，我們分析故障原因可以從以下兩方面著手：

（1）直接原因：直接導致產品發生故障的物理、化學以及生物變化的過程；

（2）間接原因：由其他故障引起，或者是環境的影響，又或者是人為因素的干預。

根據電源模塊的故障判據，通過對設備本身的潛在缺陷以及導致故障發生的直接或間接原因得出電源模塊故障原因如下：

電源模塊無輸出故障原因包含：+5V/4.5A無輸出，+5V/6A無輸出，+12V/3.5A無輸出，-5V/0.1A無輸出，+28V/0.5A無輸出，+160V/0.05A無輸出；

電源模塊輸出異常故障原因包含：+5V/4.5A輸出異常，+5V/6A輸出異常，+12V/3.5A輸出異常，-5V/0.1A輸出異常，+28V/0.5A輸出異常，+160V/0.05A輸出異常。

8 頂事件定義及描述

根據電源模塊的功能及工作原理，電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常作為本次故障樹分析的頂事件。

9 故障樹建造

根據電源模塊的功能、工作原理、系統框圖、故障模式影響及危害性分析（FMECA）、結構、邊界和環境條件，確定電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常為頂事件，嚴格按層次由上至下進行故障因果邏輯分析，逐層找出故障事件的必要而充分的直接原因，最終找出導致電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常的所有原因和原因組合。建造某電源模塊故障樹如圖1、圖2所示。

10 故障樹定性分析

由以上故障樹分析可知，電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常的故障樹均為單調故障樹，引起故障的各功能電路均為“或門”關系，任何一個底事件的發生都有一定的概率導致頂事件的發生，因此每個底事件都是一個最小割集。電源模塊無輸出故障樹最小割集見表2，電源模塊輸出異常故障樹最小割集見表3。

11 故障樹定量分析

根據電源模塊可靠性預計和故障模式影響及危害性分析（FMECA）的結果，電源模塊中各功能電路：+5V/4.5A，+5V/6A，+12V/3.5A，-5V/0.1A，+28V/0.5A，+160V/0.05A的概率重要度經計算匯總見表4。

Q(總)=58.19×10-6/h

12 結束語

表1：故障判據表

表2：電源模塊無輸出故障樹最小割集

表3：電源模塊輸出異常故障樹最小割集

表4：故障樹定量分析匯總表

本文通過故障樹定性分析找出了頂事件電源模塊無輸出、電源模塊輸出異常的所有最小割集，分別詳見表2和表3；并對各功能電路的概率重要度進行了分別計算，詳見表4。分析結果總結如下：

根據故障樹分析，故障樹的所有邏輯門皆是或門，每一個底事件就是一個最小割集，每一個底事件的發生都會以一定概率造成頂事件的發生。通過對故障樹的定性分析，我們能夠快速的定位故障位置，采取相應措施保障設備正常運行。

根據相對概率重要度可以有針對的對電源模塊進行改進及設計優化，例如采取提高元器件質量、加強質量控制以及對電路設計進行改進等手段提高電源模塊可靠性水平，從而提高大型電子設備的可靠性水平。