基于CARMES的電路故障仿真與最壞情況分析技術(shù)

張三娣，胡寧，郭愛(ài)民

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展使得先進(jìn)裝備的結(jié)構(gòu)和功能越來(lái)越復(fù)雜，自動(dòng)化程度越來(lái)越高。電子系統(tǒng)與設(shè)備已成為現(xiàn)代裝備中最重要的組成部分，其可靠性水平在很大程度上決定了裝備的使用效能。電路故障仿真基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 （EDA：Electronic Design Automation）仿真技術(shù)，通過(guò)故障注入等手段有效地支撐產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的性能與可靠性綜合設(shè)計(jì)分析，方便設(shè)計(jì)人員及時(shí)地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷并改進(jìn)電路設(shè)計(jì)，是一種低投入、高成效、高精度的可靠性分析方法，能夠縮短系統(tǒng)的研制周期、節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用，是實(shí)現(xiàn)性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)的重要途徑。

1 電路故障仿真概述

電路仿真就是把設(shè)計(jì)好的電路圖通過(guò)仿真軟件的用戶界面 “輸入”到計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)分析或模擬電路的連接和功能特性，把電路的 “輸出”通過(guò)不同的形式顯示出來(lái)[1-2]。與傳統(tǒng)的電路分析數(shù)學(xué)、物理方法相比，電路仿真在運(yùn)算效率和精度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，為大規(guī)模電路的設(shè)計(jì)分析提供了便捷、高效、自動(dòng)化的解決方案。

電路故障仿真技術(shù)按照其實(shí)現(xiàn)方式可分為軟件仿真、實(shí)物仿真和半實(shí)物仿真。其中，軟件仿真通常以專業(yè)的EDA仿真引擎 （如Multisim、PSpice等）為內(nèi)核，利用經(jīng)典、成熟的電路理論和算法，結(jié)合故障注入等技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)高速迭代運(yùn)算來(lái)模擬電路工作的過(guò)程，根據(jù)運(yùn)算過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)電路工作狀態(tài)進(jìn)行分析。該技術(shù)具有實(shí)施難度低、效費(fèi)比高等優(yōu)勢(shì)，是最為常用的電路故障仿真技術(shù)。

基于軟件的電路故障仿真可實(shí)現(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)與電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的融合，使可靠性設(shè)計(jì)真正貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程，進(jìn)而提高電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平。它以系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中繪制的電路原理圖為基礎(chǔ)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件工具可方便地進(jìn)行故障建模、故障注入，調(diào)用EDA軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，通過(guò)電路正常狀態(tài)仿真與故障仿真的結(jié)果比較，結(jié)合最壞情況分析技術(shù)進(jìn)行故障判斷和影響分析，進(jìn)而提出電路系統(tǒng)的改進(jìn)建議。電路故障仿真的原理如圖1所示，其關(guān)鍵技術(shù)包括EDA軟件接口、故障建模、故障注入等。

在這種分析方法中，注入的故障模型往往是EDA軟件所不包含的非標(biāo)準(zhǔn)模型，基于這些模型的最壞情況分析結(jié)果比直接利用EDA軟件進(jìn)行分析獲得的結(jié)果更符合系統(tǒng)的實(shí)際情況；故障對(duì)系統(tǒng)最終影響的分析結(jié)果，是從電路原理圖出發(fā)直接進(jìn)行仿真分析，因而可以準(zhǔn)確地識(shí)別電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷和潛在故障，幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

2 電路故障仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 EDA軟件接口

EDA已成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流技術(shù)。建立電路故障仿真與EDA軟件的接口，可實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的融合，使可靠性設(shè)計(jì)真正落實(shí)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，也是獲得高可靠產(chǎn)品的關(guān)鍵。本文通過(guò)讀取電路描述文件實(shí)現(xiàn)與Multisim、PSpice等EDA軟件的接口，識(shí)別已建立的電路模型。以Multisim為例，其數(shù)據(jù)接口采用文本格式的文件，可以直接讀?。?/p>

文件中，每一行描述電路圖中的一個(gè)元器件及其連接關(guān)系。仿真時(shí)每個(gè)元器件按照描述的模型或默認(rèn)模型進(jìn)行仿真。模型的描述，同樣采用文本格式的文件，以便于編輯和自定義。

2.2 故障建模

電路的故障模型是指電路中含有故障因素或故障模式的仿真模型[3]。本文在建立元器件故障模式模型庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)元器件模型重組實(shí)現(xiàn)電路的故障建模。其中，元器件故障模型庫(kù)可分為兩類：

a）按產(chǎn)品類別的通用故障模型

以GJB/Z 299C[4]中的產(chǎn)品分類方法和故障模式為基準(zhǔn)，提供各類元器件各種故障模式的仿真模型，如表1所示。

b）按產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格的專用故障模型

以通用故障模型為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行修改，或者重新定義。

表1 故障仿真模型示例

2.3 故障注入

故障仿真是對(duì)一個(gè)或多個(gè)元器件發(fā)生某種故障后的電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模擬元器件在各種故障模式下的工作狀態(tài)及其對(duì)整個(gè)電路的影響。故障注入即應(yīng)用元器件模型重組后的故障模型代替原有的器件模型，從而形成具有故障因素描述的電路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。使用故障注入的方法可以?duì)每個(gè)元器件的每種可能的故障模式進(jìn)行模擬仿真。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，基于軟件的故障注入方法比物理故障注入，或通過(guò)仿真軟件修改電路圖后再進(jìn)行故障仿真分析的效率要高得多，能夠更加有效地識(shí)別電路中的薄弱環(huán)節(jié)。本文主要通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)基于軟件的故障注入：

a）改變?cè)骷Ｐ偷膮?shù)

可通過(guò)修改.net文件實(shí)現(xiàn)，替換其中故障的元器件信息，并保存到原位置。例如，某電阻模型的初始信息如下：

R_RS1 N00061 N002401k

將其阻值修改為極小，即可得到其短路的故障模型：

R_RS1 N00061 N002401E-100

b）改變?cè)骷Ｐ?/p>

部分器件的故障注入方法如表2所示。

表2 故障注入控制表示例

3 基于CARMES的電路故障仿真與最壞情況分析實(shí)現(xiàn)

3.1 CARMES 簡(jiǎn)介

CARMES是由工信部電子五所自主研發(fā)的五性工程軟件。自2001年推出以來(lái)，經(jīng)過(guò)近10個(gè)版本的持續(xù)創(chuàng)新改進(jìn)，CARMES已成為集成化的五性工程專業(yè)平臺(tái)，在RMS工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。CARMES的電路故障仿真和最壞情況分析模塊CFSWCA具有強(qiáng)大的仿真模型庫(kù)和豐富的數(shù)據(jù)接口，可通過(guò)元器件容差注入、電路故障仿真和最壞情況分析，協(xié)助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)一體化。

CARMES-CFSWCA的界面如圖2所示，其主要功能包括：

1）電路圖導(dǎo)入；

2）電路正常狀態(tài)仿真；

3）元器件仿真模型參數(shù)庫(kù)；

4）電路故障注入與故障仿真；

5）故障狀態(tài)與正常狀態(tài)下的仿真比較；

6）電路容差注入；

7）最壞情況分析。

3.2 電路故障仿真

在通常情況下，在進(jìn)行故障注入之前需要對(duì)電路進(jìn)行一次正常狀態(tài)仿真 （也稱無(wú)故障仿真），這是故障仿真結(jié)果比較和判斷分析的依據(jù)。

故障判定即通過(guò)仿真結(jié)果的比較分析來(lái)判斷系統(tǒng)功能狀態(tài)是否發(fā)生故障。電路故障仿真應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)的技術(shù)對(duì)正常與注入故障后的電路輸出信號(hào)進(jìn)行比較分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障判據(jù)自動(dòng)地比較每次的故障仿真結(jié)果與正常仿真結(jié)果，判斷電路在該元器件的故障模式工作下探測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài) （正常/故障）。

以圖2左下方所示的電路為例，通過(guò)自動(dòng)故障仿真得到正常與故障狀態(tài)的仿真結(jié)果比較如圖3所示，圖中左上方為正常狀態(tài)的仿真結(jié)果，通過(guò)右側(cè)的窗口可以選擇查看注入不同的故障模式后的仿真結(jié)果，并在窗口左下方顯示。與正常狀態(tài)的仿真結(jié)果相比，容易發(fā)現(xiàn)注入電阻R_RC1短路故障后，V（OUT1）輸出信號(hào)具有明顯的異常。

3.3 最壞情況分析

最壞情況是指電路中的元器件參數(shù)在其容差域邊界取某種組合時(shí)，所引起的電路性能的最大偏差。最壞情況分析就是在給定電路元器件參數(shù)容差的情況下，估算電路性能相對(duì)標(biāo)稱值的最大偏差。

進(jìn)行最壞情況分析的前提是電路中具有包含容差參數(shù)的元器件模型，通過(guò)添加、編輯模型參數(shù)設(shè)定元器件模型的容差，設(shè)定完畢后再通過(guò)故障注入將該模型重組到電路拓?fù)湮募?，從而?shí)現(xiàn)元器件的容差參數(shù)設(shè)置，方便、快捷并易以管理。

圖2 CARMES故障仿真軟件界面

圖3 仿真結(jié)果比較分析

CARMES-CFSWCA提供的最壞情況分析程序包括：

1）直流掃描分析；

2）交流小信號(hào)分析；

3）瞬態(tài)分析。

分析結(jié)果包括標(biāo)稱情況與最壞情況的比較，并可輸出最壞情況時(shí)各元器件的參數(shù)漂移量。圖2中電路的最壞情況分析結(jié)果如圖4所示，兩條曲線即為標(biāo)稱值情況和最壞情況的頻響曲線，各容差元器件的漂移量如表3所示，最壞情況下電容C_C1漂移了15%，電阻R_RBIAS漂移了6%。

圖4 最壞情況分析結(jié)果

表3 元器件漂移量 （最壞情況）

4 結(jié)束語(yǔ)

電路故障仿真融合電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)與可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品的性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)分析。在EDA技術(shù)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀下，通過(guò)電路故障仿真可以充分地利用電路設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研制階段的大量可靠性數(shù)據(jù)，協(xié)助設(shè)計(jì)人員盡早地識(shí)別并消除產(chǎn)品的主要故障模式和設(shè)計(jì)缺陷，避免生產(chǎn)過(guò)程中大量人力財(cái)力的浪費(fèi)。因而，該技術(shù)的推廣和應(yīng)用對(duì)于提高產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)水平、縮短研制周期、降低設(shè)計(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

[1]儲(chǔ)成偉.PSpice電路仿真程序設(shè)計(jì) [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2]楊欣，王玉鳳，劉湘黔.電路設(shè)計(jì)與仿真——基于Multisim 8與 Protel2004[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]趙廣燕，孫宇鋒，康銳，等.電路故障仿真中的故障建模、注入及判定方法研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)， 2007， 24 （1）：143-146.

[4]GJB/Z 299C-2006，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)[S].