电子可靠性技术:最坏情况分析方法(二)

2013-11-30 11:08:10来源: 互联网
最坏情况数据库提供了一种统一的参考源,以保证WCCA在任何项目都采用相同的数据源。显然,由不同的设计工程师开发各自的数据库是不现实的。一旦最坏情况数据库开发成功,该数据库就可以维护、扩充、修改并应用到其他项目。

  

 

  图4:初始容差、典型值和最坏情况下的最小增益对比。

  最坏情况中的其它影响因素

  必须考虑的其它因素是接口连接,主要有模块电路的输入电源、输入信号和负载等,这些因素都在典型值两边有容差极限。在进行WCCA时,这些值都必须设置为极限值,并考虑极限的正负方向。

  

表示带通滤波器的增益,将器件参数的典型值代入得到增益为11.08V/V,代入初始容差值增益为7.84V/V。使用典型值时,是直接代入器件参数。计算初始容差时,每个器件参数都有代数符号(+/-),表示必须要选择每个器件参数的正负。要计算电路性能的最大最小值必须确定采用何种器件参数的最大最小值的组合。设计人员要先确定针对每个器件参数的电路灵敏度响应方向和大小。WCCA需要进行最大最小值的电路灵敏度分析,任何灵敏度分析的错误都会影响最坏情况分析的准确。求解灵敏度以决定器件参数的正负方向,典型方法是求电路方程中对每个器件参数的偏微分。对带通滤波器,求解公式如下:
。幸运的是,一些电路仿真软件可以帮助工程师来进行灵敏度分析。

 

  为了评估图1和Eq1中的带通滤波器中心频率最小增益的最坏情况值,必须先确定电阻和电容在最坏情况下的最大最小值(如图3所示)。

  所有变化都被认为是偏置型变量,注意图1中的Vi和Vo不在Eq1中,需要设定它们的最大最小容差。带方向性的灵敏度可以使用仿真软件执行灵敏度分析来确定,如表1。

  根据灵敏度分析,在Eq1中代入最坏情况最大最小值,得到的增益为Af0=5.76V/V,低于最小增益要求的Af0=7V/V,如图4所示。在前面计算的典型值和初始容差情况,Af0都是大于7V/V。可以看到典型值、初始容差和最坏情况的结果有很重大差异,这一点很重要。

  不是一定要所有电阻电容都处在最坏情况值才会引起Af0小于7V/V,某几个器件参数超过初始容差的组合就会引起增益低于7V/V。这种将器件最坏情况最大最小值代入到电路方程的方法称为极值分析(EVA)。

  WCCA的其它技术

  执行WCCA的其它两个方法是和方根(RSS)分析和蒙特卡罗分析。这两种技术得到的结果要比EVA更乐观些。

  RSS是一种组合标准方差的统计技术,它基于大数定律(中心极限理论)。RSS表示,如果多个变量进行组合统计,则结果分布是正态的,与组合变量的分布形式无关。因此可以通过数学方法有效统计多个变量组合情况下电路性能的标准方差,每个器件的标准方差是基于电路性能针对每个器件参数的灵敏度幅值。先求出输出变量的标准差ST,再将结果乘以3(99.7%概率),得到最坏情况值。

 

  表1:使用仿真软件可得到每个器件的灵敏度。

  蒙特卡罗分析被认为是在各种条件下对电路性能多次评估的统计结果的经验判断。在各种条件中,各器件的参数是随机选择的。采用蒙特卡罗分析,可以计算电路的平均和标准方差(δ)。3δ(99.7%)也被认为是最坏情况值。幸运的是,很多仿真软件都可以执行蒙特卡罗分析。

  比较三种WCCA技术

  EVA是最简单的技术,最容易得到最坏情况电路性能的估计,但是结果是最悲观的。EVA需要开发电路中所有器件的最坏情况参数变化数据库。EVA需要输入的格式是最坏情况器件变化(最大最小值)极限(3δ),加上电路的灵敏度方向。电路输入结果的格式是最坏情况最大最小值。

  RSS的结果相对而言更实际些,但是内部可能有错误,因为假设灵敏度是线性的,分布是正态的。RSS的输入格式是器件参数概率分布的标准方差(一般得不到的)和电路相对器件变化的灵敏度大小。输出格式是电路性能概率分布的平均和标准方差。

  蒙特卡罗分析需要先了解器件参数分布(一般得不到),然后给出准确的结果,它需要借助计算机程序实现。蒙特卡罗分析输入格式是每个器件参数的概率分布(不需要作灵敏度分析)。结果输出格式是电路性能概率分布的直方图。

  可以看到,RSS和蒙特卡罗这两种统计方法能预测电路性能在规格范围内的概率,这是很重要的。而EVA不能给出得到这个概率结果。

  本文小结

  电子产品硬件需要在一定寿命内可靠工作,这不能仅仅依靠对器件的典型和初始容差值进行设计来实现。器件在组装到电路板上后其参数会发生偏移,如果开发出最坏情况器件参数变化数据库,设计人员就可以方便地得到这些数据库,那么电子工程师就能够不仅做典型电路设计和分析,还可以做WCCA。

关键字:电子  可靠性

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1130/article_21421.html
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