電子可靠性技術:最壞情況分析方法(一)
最壞情況分析方法將傳統電子可靠性和電路仿真分析方法有機結合,產生一種全新的可靠性技術。與傳統的可靠性技術相比,這種新技術具有優良的實用性,能對電路進行深入而全面的可靠性分析。
容差分析是當前電子可靠性設計中最先進的技術之一,代表著電子可靠性設計的一個重要發展方向。最壞情況分析(WCCA)是容差分析的一種主要技術。這是一種電路可靠性分析設計技術,用來評估電路中各器件參數同時發生最壞情況變化時的電路性能,用以保證電路在整個壽命周期內都能夠可靠工作。WCCA是一種全面系統分析電路可靠性的方法,在電子可靠性設計中將占據重要地位。
電路中各電子器件在初始容差外還存在著潛在的大幅變化,器件參數變化可能是壽命或環境應力影響的結果,這種變化能使電路性能超出規格要求,WCCA可以用來檢查這種變化引起的電路性能變化。

圖1:一個帶通濾波器的最壞情況分析。
電子器件失效有兩種模式:一種是災難性的,即電路突發異常,導致災難性結果;另一種是隨著器件參數變化,在超過典型和初始容差極限時,盡管電路可以繼續工作,但是其性能已經降低,超出電路要求的工作極限。為了避免器件災難性失效,采用最壞情況電應力和降額分析可保證電路中所有器件都正確降額。
WCCA現已成為行業標準,其主要內容包括:
A. 針對器件參數變化,評估電路容差。1. 在各種環境應力處于極限情況下,對電路性能容差極限進行嚴格的數學評估;2. 器件參數變化的最壞情況;3. 環境極限、溫度等;4. 輸入功率;5. 輸入激勵上下限;6. 極端情況下的負載變化;7. 最大的接口干擾。
B. 器件評估。1. 最壞情況下的過應力(最壞情況電應力分析);2. 不正確的器件應用。
C. 形成正式文檔。
有三個主要原因需要應用這些分析方法:1. WCCA可將可靠性落實到硬件設計中,使硬件長期無故障工作;2. WCCA已被FDA(美國聯邦食品藥品管理局)正式接受為設計驗證工具;3. 使用最壞情況器件參數變化數據庫,WCCA可以更經濟、更容易實現。
WCCA的產出價值在于投資回報既有短期的,如減少設計重復、設計更改、和測試時間,也有長期的,如生產效率的增加、長壽命、無故障工作等。
WCCA分析過程
對一個電路板原理圖進行WCCA分析,首先將電路分為幾個簡單的功能模塊,然后對每個模塊進行WCCA分析。分析人員應首先對每個模塊給出詳細的描述文檔,然后對電路中的所有器件的關鍵參數進行最壞情況變化分析,給出每個參數的最大值和最小值。建立每個模塊的關鍵電路性能需求。使用根據最壞情況下的最大最小值,分析人員可判斷出電路的實際性能是否超過了電路要求。最后,分析人員要確定在最壞情況下,所有電路模塊一起工作時能否滿足整個電路板的規格要求。

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