电路容差分析在设计中的应用

第２５卷第６期　光电技术应用　Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．６　２０１０年１２月　ＥＬＥＣｒＲＯ一０ｆｒｒＩＣ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２０１０　・电路与控制・　电路容差分析在设计中的应用　石永山　，王飞　，刘　铭　（１海军驻锦州地区军事代表室，辽宁锦州１２１０００；２．东北电子技术研究所，辽宁锦州　１２１０００）　摘要：阐述了电路容差分析的基本概念，探讨了导致元器件参数漂移的因素及参数漂移对设备质量影响的方式，强调　了电路容差分析在设备研制过程中的运用对提高设备设计质量的重要性．简要分析了电路容差分析流程，重点探讨了３种电　路容差分析方法的优缺点、使用环境要求及应用方法．最后展望了电路容差分析的应用前景．　关键词：设备质量；容差分析；参数漂移　中图分类号：ＴＮ７０９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—１２５５（２０１０）０６—００４９—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＳＨＩ　Ｙｏｎｇ—ｓｈａｎ　，ＷＡＮＧ　Ｆｅｉ　，ＬＩＵ　Ｍｉｎｇ　（１．ＲｅｓｉｄｅｎｔＲｅｐｒｅｓｎｅｔａｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅ　ｏｆＮａｖｙｉｎＪｉｎｚｈｏｕ，Ｊｉｎｚｈｏｕ　１２１０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｕｔｅ　ｆｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ　１２１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅ—　ｔｅｒ　ｄｒｉｆｔ　ｏｆ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｒｉｆｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌｉｔｙ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗａｓ　ｓｔｒｅｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｌｏｗｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ，　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐ—　ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｍａｉｎｌｙ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ；ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｒｉｆｔ　设备研制过程中由于电路设计不完善及可靠性　求．因此，可以说电路容差分析是贯穿设备研制全过　分析方法未能有效运用，元器件参数漂移导致的质　程的可靠性和安全性分析方法之一．　量问题带给设计者与维护人员很大的麻烦和困惑，　设备功能时好时坏，在施加环境应力时设备出现故　１元器件参数漂移原因分析　障，而撤销环境应力时设备又恢复正常，难以实现故　障定位和排除，延长了设备维修保障时间，增加了维　在排除元器件质量问题的前提下，设备质量问　护成本．因此，在设备研制过程中推广电路容差分析　题主要是由于元器件参数漂移引发的累积偏差而导　技术、避免因电子元器件参数漂移导致设备故障是　致．该类质量问题主要是在设备设计过程中对元器　十分必要的．　件参数漂移可能引发的质量问题重视不够、分析不　电路容差分析开始于设计阶段，并在设备研制　到位，未采用相应的设计措施加以控制；在生产过程　过程中针对设备的设计完善而反复迭代，直至设备　中元器件质量控制环节薄弱（对元器件参数漂移范　满足全部功能、可靠性、安全性、维修性、测试性等要　围的控制）所导致．因此，有必要对元器件产生参数　收稿日期：２０１０—１０—１４　作者简介：石永山（１９６９～），男，河北人，学士，高级工程师，主要研究方向为电子工程　光电技术应用　第２５卷　漂移的原因进行分析，以利于采用相应的设计措施　面：　解决该类因素所导致的设备质量问题．经分析，产生　元器件参数漂移的因素主要有三种．　（１）元器件生产　元器件在生产过程中将形成的固有参数偏差和　参漂系数．　（２）环境影响　（１）被分析电路的功能和使用寿命；　（２）电路性能参数及偏差要求；　（３）电路使用的环境应力条件（或环境剖面）；　（４）元器件参数的标称值、偏差值和分布．　２．３关键电路分析　由于元器件固有的参漂系数，环境因素将元器　件的参数发生变化．例如具有负温度系数的元器件　开展关键电路设计分析，明确关键电路在各种　工作方式下的性能参数、输入量和元器件参数之间　参数将随着温度升高而降低，具有正温度系数的元　器件参数将随着升高而增加．　（３）退化效应　随着时间的积累，元器件质量将逐渐下降，元器　件参数会发生变化并有可能超出标称值和允许的公　差范围．　２容差分析流程　电路容差分析是一种非常繁琐、工作量浩大的　可靠性、安全性分析方法．在设备研制过程中如何化　繁为简，并形成具有工程实际应用价值的分析方式　值得探讨．容差分析流程见图１．　图１　电路容差分析程序流程图　２．１确定关键电路　开展设备功能及任务重要性分析，明确主、次功　能和任务，使用故障模式、影响及危害度分析方法（　ＦＭＥＣＡ）或故障树（ＦＴＡ）分析方法确定设备中的　关键电路，对关键电路进行容差分析．确定关键电路　的主要原则有：　（１）严重影响安装平台安全性的电路；　（２）严重影响设备任务完成的电路；　（３）需要特殊保护的电路．　２．２明确关键电路设计基线　开展关键电路分析，明确关键电路的设计需求　和设计基线．关键电路设计基线主要包括如下四方　的关系．　２．４容差分析　开展关键电路的容差分析，主要包括如下两方　面：　（１）根据已确定的待分析关键电路的具体要求　和条件，适当选择分析方法；　（２）根据已明确的关键电路设计基线，按选定的　分析方法对关键电路进行容差分析，求出被分析关　键电路输出性能的偏差范围，找出对关键电路敏感　度影响较大的参数并进行控制，使电路满足要求．　２．５分析结果判别　将电路容差分析所求得的电路性能参数的偏差　范围与电路性能指标要求相比较，如果满足，分析结　束；如果不满足要求，按需修改设计（重新选择电路　组成部分参数或其精度等级或更改原电路结构），设　计修改后仍需进行容差分析，直至电路性能参数的　偏差范围完全满足电路性能指标．　３　容差分析方法　电路容差分析法主要有最坏情况试验分析法、　最坏情况分析法（该种分析方法亦可分为线性展开　法和直接代入法２种）和蒙特一卡罗法３种分析方　法，可根据设计实际情况选择采用．各种分析方法特　点及适应范围见表１．　３．１最坏情况试验法　最坏情况试验法是使被测电路处于温度、大气　压力、电源电压、电网频率、元器件参数、信号源幅度　和频率等主要因素均为上、下限值的条件下，测试电　路性能参数偏差的方法．一般在电路可靠性要求高、　成本不严格限制时采用此分析方法．　第６期　石永山等：电路容差分析在设计中的应用　５１　３．２最坏情况分析法　数的上限值和下限值．具体做法是将偏导数为正的电　路组成部分参数及输入量的上偏差、偏导数为负的电　路组成部分参数及输入量的下偏差代入．厂（ｘ　一，　Ｘ，）中，求出电路性能参数的上限值；将偏导数为正　的电路组成部分参数及输入量的下偏差、偏导数为负　最坏情况分析法是分析在电路组成部分参数最　坏组合情况下的电路性能参数偏差的一种非概率统　计方法．它利用已知元器件参数的变化极限来预计　电路性能参数变化是否超过了允许范围．在预计电　的电路组成部分参数及输入量的上偏差代入厂（ｘ　，　…路眭能参数变化范围时，元器件参数的变化取它们　的上、下极限值．如果预计的电路性能参数在规定的　，Ｘ２）中，求出电路眭能参数的下限值．当，’（ｘ１，…，　ｘ２）在工作点可微，且变化较大时、容差分析精度要　求较高、设计参数变化范围较大时，可采用此法．　３．３蒙特一卡罗分析法　系统性能保持在规定公差范围内的概率，或系　范围内，可以确信该电路有较高的稳定性．如果预计　值超出规定的允许变化范围，可能发生漂移故障．　采用最坏情况分析法需首先给出电路的网络参　数，其表达式为　Ｙ＝ｆ（ｘ　一，Ｘｎ）　（１）　统性能保持在规定极限内的概率，称为系统性能可　靠度．采用蒙特一卡罗分析法可确定系统的性能偏　式中，ｙ是电路性能参数；Ｘ　，…，Ｘｎ是电路组成　部分及其他有关量参数在工作点附近展开并取偏导　值．　３．２．１线性展开法　差是否满足要求，也可以计算出系统的性能可靠度．　蒙特一卡罗分析方法的基本思想是：当所求解　的问题是某个事件出现的概率时，可以通过抽样试　验的方法得到这种事件出现的频率，把它作为问题　线性展开法是将电路的网络参数Ｙ＝厂（Ｘ　一，　．Ｘｎ）在工作点附近展开并取偏导数，简化为线性关系　式，求出电路ｌ生能参数的变化范围，用下式表示　Ａｙ＝　　ＩＯＹ／ＯＸ　ｌ工作点・Ｉ△ｘ　Ｉ　（２）　的解．在电路容差分析中，当电路组成部分的参数服　从某种分布时，可以采用蒙特一卡罗分析法由电路　组成部分参数抽样值分析电路性能参数偏差，并得　到直方图作为统计结果，根据直方图可以进一步计　算性能可靠度．　当考虑到有补偿和负反馈时，△Ｘ是电路组成　部分参数的原偏差、补偿偏差和负反馈偏差等绝对　值之和．　具体做法是：按电路包含的元器件及其他有关　量的实际参数Ｘ的分布，对Ｘ进行第一次随机抽　当ｆ（Ｘ　－．，Ｘ２）在工作点可微，且变化较小、　样ｘ１，该抽样值记作（ｘ】　一，Ｘ】　），并将它代人　性能参数表达式，得到第一个随机值Ｙ】＝厂（ｘ…　…容差分析精度要求不高、设计参数变化范围较小时，　可采用此法．　３．２．２直接代入法　，Ｘ１　），如此反复　次，得到ｙ的咒个随机值，从　而就可对ｙ进行统计分析，画出直方图，求出不同　容许偏差范围内的出现概率．在　次抽样中，如果　系统性能值落在允许范围的次数为ｋ，则系统的性　直接代入法是将设计参数的偏差值按最坏情况　组合直接代人电路的网络参数表达式中，求出性能参　５２　光电技术应用　第２５卷　能可靠度为Ｐ＝志／ｎ．　越大，其仿真精度和可信度越高．一般要求是手工　随机抽样按如下方法产生：由确定的抽样次数　计算时，ｚ不小于１２０，计算机仿真时　不小于３３４．　产生伪随机数，由伪随机数产生均匀分布伪随机数，　蒙特卡罗分析法适用于可靠性较高的电路，由　由该均匀分布伪随机数产生网络元件参数分布的伪　于该算法计算量大一般采用计算机仿真方式．　随机数，再由此产生电路元器件值的随机抽样值序　列，计算电路性能参数．在进行电路抽样分析时，抽　３．４辅助分析工具　样次数应该满足统计分析的精度要求．蒙特卡罗分　近年来，随着以　（ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ）为　析法的流程如图２所示　基础的ＥＤＡ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ）技术的发　网络结构及容差分析要求　展，出现了许多以ＥＤＡ技术为内核的电子系统仿　真软件．在这些仿真软件基础上进行电路容差分析，　建立网络数学模型　大大减轻了建立电路模型的工作量和避免了对复杂　１ｒ　确定抽样模拟次数ｎ　运算的处理，不但能实现以ＥＤＡ技术为基础的通　用电路容差分析技术和方法，而且能够实现电路性　－Ｊ　立　Ｊ　Ｌｑ２．　Ｌ　阻脯★ｎ黼　　Ｌ姒　能和可靠性的并行设计分析．　１ｒ　产生均匀分布伪随机数　４结束语　产生正态分布伪随机数　元器件参数漂移在电子设备中普遍存在，电子　设备在一定的环境条件下由于部分或众多元器件参　产生网络元件随机数抽样序列　数发生漂移，由此累积的参数偏差将对电路性能产　ｌ按网络模拟进行容差随机模拟分析　生影响，并最终导致产品性能超差或出现故障．在设　备研制过程中开展电路容差分析，能发现并解决设　对容差参数进行统计分类　备电路设计中存在的容差容限偏小、设计参数不合　理或元器件质量不满足要求等问题，可以有效提高　Ｎ　设备质量．电路容差分析作为设备可靠性设计措施　和可靠性分析方法之一，在设备研制过程中的有效　运用可以较好地解决设备设计容差配合不合理导致　的质量问题，对提高设备设计质量有很大的帮助，因　图２蒙特卡罗分析流程图　此该项分析技术具有广阔的应用前景．　抽样次数　用下式求得　：　［＠－ｚ（ｚ）（　）／ｅ］　（３）　参考文献　』　厶　式中，Ｐ是性能可靠度；　（．２７）是正态分布函数，　［１］罗廷孝，郑鹏洲．可靠性设计与分析［Ｍ］．北京：国防工　（ｚ）的反函数；ｙ是置信水平；ｅ是Ｐ达到的相对精度．　业出版社，１９９７．　由式（３）可得出，抽样次数　跟电路的性能可　［２］曾声奎．系统可靠性设计分析教程［Ｍ］．北京：北京航　空航天大学出版社，２００６．　靠度及其置信度以及仿真所得出的性能可靠度与实　［３］黄进咏，莫郁薇．装备质量与可靠性问题的应对措施　际性能可靠度的误差有关．对于固定的性能可靠度，　［Ｊ］．电子产品可靠性与环境试验，２００８（５）：２６—１５５．　（上接第１７页）　［３］王斌．自动机运动规律测试技术研究［Ｄ］．太原：中北　参考文献　大学，２００９．　［１］刘吉，周汉昌．自动机运动规雉测试系统研制［Ｊ］．光学　［４］　黄成亮，郑宾，黄公亮．ＭＡＴＬＡＢ与Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ　与光电技术，２００７，５（５）＋　接口技术在自动机测试中的应用［Ｊ］．自动化与仪器仪　［２］林渊，肖锋，郑宾，等．小波变换阈值降噪方法及在武器　表，２０１０（５）：５８—５９．　自动机数据处理中的应用［Ｊ］．电子测量技术，２００９，３２　［５］裴益轩，郭民．滑动平均法的基本原理及应用［Ｊ］．火炮　（１）：１２８—１３０．　发射与控制学报，２００１，（１）：２１—２３．