干貨：可靠性設(shè)計(jì)中的電路容差分析

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在產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們常常苦惱于電路輸出的精度問題。尤其在一些關(guān)鍵電路部分，一些較大的電壓波動(dòng)會(huì)造成嚴(yán)重的器件失效。因?yàn)橥ㄟ^組合來實(shí)現(xiàn)某一功能的電路系統(tǒng)，都是有各種各樣的元器件組成，例如電阻，電容，以及IC等等。而每個(gè)元器件總是存在由于各種因數(shù)導(dǎo)致的變異性，這就使得系統(tǒng)的輸出有很大的變異，因此降低了輸出的精確度。

容差分析方法就是用來分析電路的組成部分在規(guī)定的使用環(huán)境范圍內(nèi)其參數(shù)偏差和寄生偏差參數(shù)對(duì)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(jìn)措施。

電性能參數(shù)發(fā)生變化的原因

電路性能參數(shù)發(fā)生變化的主要現(xiàn)象有：性能不穩(wěn)定，參數(shù)發(fā)生漂移，退化等，造成這些現(xiàn)象的原因有以下三種：

1)組成電路的元器件參數(shù)存在著公差

電路設(shè)計(jì)時(shí)通常只采用元器件參數(shù)的標(biāo)稱值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，忽略了參數(shù)的公差。而元器件的實(shí)際參數(shù)值并不一定是標(biāo)稱值，因此原有的計(jì)算必然會(huì)引起偏差。如標(biāo)稱值為1000?，精度為±10%的電阻，其實(shí)際阻值可能在900?~1100?范圍內(nèi)，此時(shí)根據(jù)標(biāo)稱值確定的電路性能參數(shù)實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)參數(shù)偏差。這種原因產(chǎn)生的參數(shù)偏差是固定的。

2)環(huán)境條件的變化產(chǎn)生參數(shù)漂移

環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的變化、電應(yīng)力的波動(dòng)，會(huì)使電子元器件參數(shù)發(fā)生變化，在設(shè)備工作過程中各種干擾會(huì)引起電源電壓波動(dòng)，從而使電源電壓和元器件參數(shù)的實(shí)際值變化，偏離標(biāo)稱值，產(chǎn)生漂移。漂移之后的元器件參數(shù)就可能會(huì)使電路性能參數(shù)超出允許范圍。這種原因產(chǎn)生的偏差在多種情況下是可逆的，即隨條件而改變，參數(shù)可能恢復(fù)到原來的數(shù)值。

3)退化效應(yīng)

很多電器產(chǎn)品在長(zhǎng)期的使用過程中，隨著時(shí)間的累積，元器件參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。這種原因產(chǎn)生的偏差是不可逆的。

通常元器件包含哪些變異因數(shù)呢？通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我們可以知道：

–Initialtolerance

–TemperatureCoefficient of Resistance

–LoadLife Stability (Aging)

–ShortTime Overload

–Effectsof Soldering

–TemperatureCycling

–MoistureResistance (Humidity Exposure)

–LowTemperature Operation

–HighTemperature Operation

–TerminalStrength-Bend (Manufacturing Associated Stress)

–ThermalShock

–Vibration

容差分析程序

1、確定待分析電路

根據(jù)電路的重要性、經(jīng)費(fèi)與進(jìn)度等限制條件以及FMEA或其他分析結(jié)果來確定需要進(jìn)行容差分析的關(guān)鍵電路。主要有：

·嚴(yán)重影響產(chǎn)品安全的電路；

·嚴(yán)重影響功能實(shí)現(xiàn)的電路；

·價(jià)格昂貴的電路；

·采購或制作困難的電路；

·需要特殊保護(hù)的電路。

2、明確電路設(shè)計(jì)的有關(guān)基線（Baseline）

電路設(shè)計(jì)的基線包括：

·被分析電路的功能和使用壽命；

·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(biāo)稱值、偏差值和分布；

·電源和信號(hào)源的額定值和偏差值；

·電路接口參數(shù)。

3、電路分析

對(duì)電路進(jìn)行分析，得出在各種工作條件下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。

4、容差分析

a)根據(jù)已確定的待分析電路的具體要求和條件，適當(dāng)選擇一種具體分析方法；

b)根據(jù)已明確的電路設(shè)計(jì)的有關(guān)基線按選定的方法對(duì)電路進(jìn)行容差分析，求出電路性能參數(shù)偏差的范圍，找出對(duì)電路性能影響敏感較大的參數(shù)并進(jìn)行控制，使電路滿足要求。

5、分析結(jié)果判別

把容差分析所得到的電路性能參數(shù)的偏差范圍與規(guī)定偏差要求相比較，比較結(jié)果分兩種情況：

a)符合要求，結(jié)束分析。

b)若不符合要求，則需要修改設(shè)計(jì)（重新選擇電路組成部分參數(shù)或其精度等級(jí)或更改原電路結(jié)構(gòu)）。設(shè)計(jì)修改后，仍需進(jìn)行容差分析，直到所求得的電路性能參數(shù)的偏差范圍滿足偏差要求為止。

最壞情況分析法（Worstcase analysis）

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(jì)法。它利用已知元器件參數(shù)變化極限來預(yù)計(jì)電路性能參數(shù)變化是否超過允許范圍。在預(yù)計(jì)電路性能參數(shù)變化范圍內(nèi)，元器件參數(shù)的變化取決于它們的上、下極限值。如果預(yù)計(jì)的電路性能參數(shù)在規(guī)定的范圍，就可以確信該電路有較高的穩(wěn)定性。如果預(yù)計(jì)值超出了規(guī)定的允許變化范圍，就可能發(fā)生漂移故障。最壞情況分析法可以預(yù)測(cè)某個(gè)電路是否發(fā)生漂移故障，并提供改進(jìn)的方向，但是不能確定發(fā)生這種故障的概率。

Example:The following example illustrates a reprehensive calculation for deterring the worst case minimum and maximum values for a1200μf CLR capacitor.

Worst Case Minimum(RSS)=-48-22.4=-70.4%

Worst Case Maximum (RSS)=+29+22.4=+51.4%

Worst Case MinimumCapacitance(RSS) = 1200μf -1200μf (0.48+0.224) =355.2 μf

Worst Case MaximumCapacitance(RSS) = 1200μf +1200μf (0.298+0.224) =1816.8 μf

蒙特卡洛仿真分析（MonteCarlo Analysis）

上面提到單純的最壞情況分析法不能確定發(fā)生這種故障的概率，如果利用蒙特卡洛仿真則能有效的解決這個(gè)問題。蒙特卡洛分析法針對(duì)電路在最壞情況下的性能提供最真實(shí)可行的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)元器件參數(shù)變化范圍產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電路模擬，通常需要隨機(jī)產(chǎn)生至少需要5000個(gè)數(shù)據(jù)以上.在產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)之前，我們必須知道所分析電路的功能方程式.然后把這些隨機(jī)帶入方程式，利用Minitab計(jì)算出輸出電壓值。最后計(jì)算出這組數(shù)據(jù)的Cpk 和Ppk。

當(dāng)Cpk和Ppk在95%置信度水準(zhǔn)下大于1.33時(shí)，我們認(rèn)為設(shè)計(jì)符合要求。這里有一點(diǎn)需要特別提出的是，在計(jì)算Cpk和Ppk時(shí)必須首先要跟設(shè)計(jì)人員確認(rèn)好輸出值的公差范圍。

審核編輯 黃昊宇