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可靠性方法之電路容差分析

發(fā)布時間:2019-11-08 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】分析電路的組成部分在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)其參數(shù)偏差和寄生參數(shù)對電路性能容差的影響,并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的改進措施。
 
依據(jù)
 
● GJB450A-2004《產(chǎn)品可靠性工作通用要求》
● GJB/Z89-97《電路容差分析指南》
 
適用對象與適用時機
 
電路容差分析主要適用于系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路。電路容差分析工作應(yīng)在產(chǎn)品詳細設(shè)計階段已經(jīng)具備了電路的詳細設(shè)計資料后完成。
 
電路性能參數(shù)發(fā)生變化的原因
 
電路性能參數(shù)發(fā)生變化的主要表現(xiàn)有性能不穩(wěn)定、參數(shù)發(fā)生漂移、退化等,造成這種現(xiàn)象的原因有:
 
● 組成電路的元器件參數(shù)存在著公差
● 環(huán)境條件的變化產(chǎn)生參數(shù)漂移
● 退化效應(yīng)
 
電路容差分析程序
 
電路容差分析的流程圖,其主要步驟如下:
 
可靠性方法之電路容差分析
電路容差分析流程
 
No.1 確定待分析電路
 
● 嚴重影響產(chǎn)品安全的電路;
● 嚴重影響任務(wù)完成的電路;
● 昂貴的電路;
● 采購或制作困難的電路;
● 需要特殊保護的電路。
 
No.2 明確電路設(shè)計的有關(guān)基線:
 
● 被分析電路的功能和使用壽命;
● 電路性能參數(shù)及偏差要求;
● 電路使用的環(huán)境應(yīng)力條件(或環(huán)境剖面);
● 元器件參數(shù)的標稱值、偏差值和分布;
● 電源和信號源的額定值和偏差值;
● 電路接口參數(shù)。
 
No.3 電路分析
 
對電路進行分析,得出在各種工作條件及工作方式下電路的性能參數(shù)、輸入量和元器件參數(shù)之間的關(guān)系。
 
No.4 容差分析
 
容差分析包括:
 
 (a)適當選擇一種具體分析方法;
 
 (b)求出電路輸出性能參數(shù)的偏差范圍,找出對電路性能影響敏感度較大的參數(shù)并進行控制,使電路滿足要求。
 
No.5 分析結(jié)果判別
 
偏差范圍與電路性能指標要求相比較,比較結(jié)果分兩種情況:
 
(a)符合要求,則分析結(jié)束;
 
(b)若不符合要求,則需要修改設(shè)計,直到所求得的電路性能參數(shù)的偏差范圍完全滿足電路性能指標要求為止。
 
最壞情況分析法
 
最壞情況分析法是分析在電路組成部分參數(shù)最壞組合情況下的電路性能參數(shù)偏差的一種非概率統(tǒng)計方法。它利用已知元器件參數(shù)的變化極限來預(yù)計系統(tǒng)性能參數(shù)變化是否超過了允許范圍。最壞情況分析法可以預(yù)測某個系統(tǒng)是否發(fā)生漂移故障,并提供改進的方向,但不能確定發(fā)生這種故障的概率。該法簡便、直觀,但分析的結(jié)果偏于保守。
 
No.1 計算模型
 
應(yīng)用最壞情況分析法的基礎(chǔ)是建立數(shù)學模型,就是把電路性能參數(shù)X1,X2,......,Xn表示為設(shè)計參數(shù)的函數(shù),即:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
為了便于分析,最壞情況分析法采用靈敏度來度量設(shè)計參數(shù)偏差對電路性能參數(shù)的影響。設(shè)計參數(shù)的靈敏度計算公式如下:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
式中:下標“0”——標稱值。
 
靈敏度還可以表達為:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
式中:   Xi0 ——電路性能參數(shù)的標稱值;
 
          △Xi ——設(shè)計參數(shù) Xi 的標稱值;
 
          △Y ——設(shè)計參數(shù)的偏差;
 
          Y0 ——電路性能參數(shù)的偏差。
 
在確定了靈敏度的基礎(chǔ)上,計算性能參數(shù)最大偏差的方法包括線性展開法和直接代入法兩種。
 
1)線性展開法
 
電路性能參數(shù)的偏差可以采用下式進行估算:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
偏差的確定方法如下:
 
在求電路性能參數(shù)偏差的正極限值時,若Si>0(Si''''''''>0),則△Xi=Xi最大—Xi0;若Si>0(Si''''''''>0),則△Xi=Xi最小—Xi0。
 
在求偏差的負極限值時,若Si<0(Si''''''''<0),則△Xi=Xi最大—Xi0;
 
若Si>0(Si''''''''>0),則△Xi=Xi最小—Xi0。
 
2)直接代入法
 
直接代入法是將設(shè)計參數(shù)的極限值按最壞情況組合直接代入電路的函數(shù)表達式(*)中,求出性能參數(shù)的上限值和下限值。
 
在求電路性能參數(shù)的上限值時,若 Si>0(Si''''''''>0),則參數(shù) Xi 取 Xi最大,若 Si<0(Si''''''''<0),則參數(shù) Xi 取 Xi最小。在求電路性能參數(shù)的下限值時,若 Si>0(Si''''''''>0),則參數(shù) Xi 取 Xi最大,若 Si<0(Si''''''''<0),則參數(shù) Xi 取 Xi最大。
 
No.2 實施步驟
 
采用最壞情況分析法進行電路容差分析的實施步驟如下:
 
(a)確定電路設(shè)計參數(shù)的標稱值和偏差(或者參數(shù)變化范圍);
 
(b)推導(dǎo)出電路性能參數(shù)與設(shè)計參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系;
 
(c)計算各個設(shè)計參數(shù)的靈敏度;
 
(d)在容差分析精度要求不高時,采用線性展開法計算出電路性能參數(shù)的偏差;在容差分析精度要求較高時,采用直接代入法計算出電路性能參數(shù)的偏差。
 
No.3 計算示例
 
某串聯(lián)調(diào)諧電路在組成上包括:1個 50±10%μH 的電感器和1個 30±5%pF 的電容器。要求最大允許頻移為0.2MHZ,試采用最壞情況分析法進行容差分析,確定出諧振頻率的偏差量,并判斷是否滿足要求。
 
(a)電路設(shè)計參數(shù)的標稱值和偏差量如下所示:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
(b)建立電路的函數(shù)關(guān)系。諧振頻率與電感L和電容C之間的函數(shù)關(guān)系如下所示:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
(c)計算各個設(shè)計參數(shù)的靈敏度,如下:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
(d)采用直接代入法計算電路性能參數(shù)偏差。
 
將L=50μH 和 C=30pF代入計算公式,得到諧振頻率標稱值:
 
f0=4.2161MHz
 
將L=45?H和C=28.5pF代入計算公式,得到諧振頻率的上限值:
 
fu=4.41825MHz
 
將L=55?H和C=31.5pF代入計算公式,得到諧振頻率的下限值:
 
fl=3.80175MHz
 
因此,諧振頻率的偏差值為:
 
可靠性方法之電路容差分析
 
由于計算出的偏差值大于允許要求,因此該設(shè)計方案不能滿足容差要求。
 
仿真方法
 
目前很多EDA(電子設(shè)計自動化)軟件都具有仿真計算和容差分析功能。
 
為了進行計算機仿真,必須首先建立待分析電路的仿真模型,即利用軟件提供的工具,建立待分析電路的原理圖,并進行初步的電路功能仿真,驗證建立的原理圖與待分析電路的一致性。然后可以根據(jù)需要選擇進行最壞情況分析、蒙特卡羅分析,或者環(huán)境溫度影響分析。
 
各種方法的適用性:
 
下表給出各種容差分析方法的優(yōu)缺點和適用范圍。應(yīng)根據(jù)電路的特點、復(fù)雜程度、經(jīng)費以及已有的條件,按下表來選擇容差分析方法。
 
可靠性方法之電路容差分析
 
 
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