电子线路可靠性容差分析与故障诊断方法的研究现状

The Present Status of Electronic Circuit.s

Interval Analysis and Fault Diagnosis

WANG Shu juan1Z HANG Qinseng1C HE N Bo2Z HAO Guoliang1

(1.Harbin Engineering University, 2.H arbin I nstitue o f Technology,H a rbin150001P.R.China)

Abstract:Tolerance analysis is a basis of reliable design.And fault diagnosis is a basic method to maintain the prod-uct.Tolerance analysis and fault diagnosis are important ways to develop the produc t.s reliable and to guarantee product. s stabilization.This paper describes the present status of the electronic circuit.s tolerance analysis and fault diagnosis. And at last,we point the direc tion of this field.

Key words:electronic circuit;tolerance analysis;fault diagnosis;reliability

EEACC:1130B;0170N

电子线路可靠性容差分析与故障诊断方法的研究现状

1

王淑娟1张青森2陈博2赵国梁1

(1.哈尔滨工程大学, 2.哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)

摘要:容差分析是可靠性设计的基础,故障诊断是维持产品可靠性的基本方法。容差分析与故障诊断是提高电工产品的设计质量并保证其工作稳定性和可靠性的重要手段。由综合分析了电子线路可靠性容差分析与故障诊断方法的研究现状,以指出了该领域的发展方向。

关键词:电子线路;容差分析;故障诊断;可靠性

中图分类号:TM855文献标识码:A文章编号:1005-9490(2003)01-0001-04

电子线路是电工产品的重要组成部分,其可靠性对电工产品的质量具有很大影响。电子线路是由大量的电子元器件组成的,电子元器件的参数值在实际工作中受环境因素的影响而发生波动,如环境温度的变化、加工工艺的分散性等因素将使电子元器件的实际工作值偏离标称值,造成电子线路及整个电子系统的工作性能发生变异。如果电子线路的工作性能与设计要求之间的偏差在容差范围内,则电子线路仍能正常工作,否则将导致电子线路发生故障(软故障和硬故障)。所以研究电子线路的可靠性容差分析与故障诊断方法对保证电工产品设计质量具有重要的理论意义和实用价值。

1容差分析方法的研究现状

容差是指允许的功能界限:显然,系统的抗干扰设计也在其内。因此,随着电子线路规模的不断增大,电工产品及系统的复杂化,可靠性容差设计越来越被人们所重视。在实际应用中,电力电子线路中的每个元器件参数都会偏离其标称额定值,其构成系统的输出特性也会因此而产生偏差。所以采用有效的分析方法计算出输出特性的容差,是分析系统稳定性和可靠性的关键。

第26卷第1期2003年3月

电子器件

Chinese Journal of Electron Devices

Vol.26,No.1

March.,2003

1收稿日期:2002-09-02

作者简介:王淑娟(1967-4),女,博士,副教授,2000年12月进入哈尔滨工程大学控制科学与工程博士后流动站工作。

电力电子线路包括线性电力电子线路和非线性电力电子线路。迄今为止,人们在电力电子线路可靠性设计中,主要采用5种容差分析方法:1蒙特卡洛方法;o区间分析方法;?增量分析方法;?仿射分析方法;?区间迭代法。其中,前4种方法适合线性电力电子线路的可靠性容差设计,区间迭代法一般适合于解决非线性电力电子线路的可靠性容差设计问题。

蒙特卡洛分析方法是利用概率统计理论计算容差的一种方法,是上世纪70年代末80年代初提出来的[1]。1977年,Director S.W.等发表了5单纯性近似中心设计法6一文,这是最早利用蒙特卡洛法来估计成品率的文献。1981年,Rankin D.J.发表了5利用控制变量来进行有效的蒙特卡洛成品率估计6一文,标志着蒙特卡洛分析方法已经成熟。Rankin D.J.指出:用蒙特卡洛分析方法计算电子线路容差是最可靠的,这种分析方法适合于任何类型的电路,而不需对元件参数、外加激励、电路形式做简化假设。但当使用该方法进行大规模电路的容差分析时,耗费时间长。而且,后人在实际工作中发现,采用蒙特卡洛方法进行容差分析的精度较低,得到的区间比实际区间偏小。由此,人们提出了一种更为有效的分析方法,即区间分析方法。

区间分析法是在研究计算机的有限字长引起计算误差的基础上发展起来的。上世纪80年代末, Oppenheimer E.P.等人在5线性系统的区间分析技术6中提出了区间分析法[2]。区间分析法的最基本思想是利用实数集合的方法分析问题,首先根据电路原理把电路的输出特性函数用各个参数描述出来,然后用区间数学的理论把各个参数的区间值代入所得的函数中,求解的区间就认为是电路或系统的输出特性区间。在实际应用中,人们证明了区间分析方法是一个有效和可靠的分析方法。但由于该方法是基于区间的概念分析问题,所以带有一种模糊性质,使所得区间比实际区间略大[3]。为了克服区间分析法使区间扩大的缺点,Michael W.Tian和Richard Shi C.-J.提出了增量分析方法。

增量分析方法是在区间分析方法的基础上,通过研究电路的灵敏度,把元器件所在的区间划分成几个子区间,并假设输出特性函数在各个子区间都是单调的。然后在子区间里计算电路输出特性的容差。该方法所得结果比直接用区间分析方法要精确。

仿射分析方法是上世纪90年代末由Egiziano L.在国际电力电子会议上首次提出的。与区间分析法比较,仿射分析方法最大的改进之处是区间的表达方法不同[4]。区间[X]表示为

X=x0+E n i=1x i N i(1)式中:X-)))[x]的代替区间;x0)))区间的中心值;x i)))偏离分量;N i)))噪声系数

由式(1)进行区间计算,可以克服区间扩大的缺点。

文献[5]采用区间分析法和仿射分析法对带通滤波器进行可靠性容差分析。仿真和实验证明:区间分析法和仿射分析法在带通滤波器可靠性容差分析中的应用均是有效的;仿射分析法的估计区间一般比区间分析法的估计区间小、容差分析精度高;

以上是对线性电子线路可靠性设计的容差分析方法。在电工产品及电子系统中,非线性电子器件或电子线路是很重要的组成部分。对此,区间迭代法是很有效的可靠性容差分析方法[6]。该方法是根据线路的容差方程,通过区间松弛迭代算法得出特性函数容差区间的近似计算方法。

随着生物遗传学的发展,人们根据遗传现象的规律提出了遗传算法及多目标遗传算法,并在电子线路的可靠性容差分析上得到了很好的效果。

2故障诊断方法的研究现状

电子线路故障是指电子线路中元器件的实际值相对于标称值发生了改变,而导致整个电路失效的一种现象。故障分为硬故障和软故障。硬故障亦称灾难性故障,指电力电子线路发生了短路或者断路;软故障亦称偏离性故障,指电子线路故障点的元器件参数值偏离了容差范围。电子线路故障可以是由单个元器件或线路故障引起的,也可以是由多个元器件或线路故障引起的[6]。诊断是指系统在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性质,判断劣化状态发生的部位或部件,即故障识别和故障定位。电子线路的故障诊断包括数字电路的故障诊断和模拟电路的故障诊断。

2.1数字电路故障诊断

随着数字电路的飞速发展,数字电路的诊断技术也得到了迅速的发展。数字电路诊断方法可以大致分为以下3种:1函数诊断方法;o结构故障诊断法;?故障电流测试方法。

函数诊断方法是最古老的数字电路故障诊断方

2电子器件第26卷

法之一。该方法把输入序列送给数字电路的逻辑输入端,测试、分析逻辑输出端数据,根据电路的逻辑功能判断是否有故障。函数故障诊断法所需的测试序列可以设置在电路中,能够缩短诊断时间。该方法的不足之处是测试序列比较大。例如,通过函数诊断方法诊断23位的加法器,大概需要265个数字信号输入。

1950年人们提出了结构故障诊断方法。该方法利用已经构造好的失效模式去检测数字电路实际的故障点。最早用于数字电子电路中只是一个短路或者断路的故障模式。一个数字门连接处假定被断开,并把它置为逻辑0或者1,然后测试输出信号并保存之。以后,如果得到类似信号就可以方便的识别故障。经验和理论研究证明,利用单个短-断故障模式产生的测试信号在多个故障中识别故障芯片也是有效的。在数字电路的故障诊断中,结构故障模型可以利用布尔代数进行演化和数学分析,并利用纯布尔代数诊断特定短路或断路故障[7,8]。

文献[9]提出了故障电流的测试方法,该方法亦称IDDQ方法,通过测试不同输入条件下的电源电流来判断电路是否发生故障。因为测量高精度的电流很费时,需要几个毫秒,所以该方法测量的电流都是不同输入条件下的静态电流。

212模拟电路的故障诊断

模拟电路的故障诊断几乎与数字电路的故障诊断是同时提出来的。虽然数字电路的故障诊断已经有了经济、有效的实用方法,但模拟电路的故障诊断却没有有效的实用方法和完备的理论,其原因如下:

1)早期,模拟电路的故障诊断不受重视;

2)模拟电路的输入和输出之间的关系复杂;

3)由于环境等因素的影响,模拟电路中的元器件不再是线性器件,经常是非线性的;

4)故障的分类与分布没有规律可循。

模拟电路的故障诊断方法很多,最常用的方法有测前仿真法和测后仿真法。

21211测前仿真法

测前仿真法的基本思想:选择电路的一组故障特征,在各种假定的故障状态下,将模拟电路在预定激励下的输出响应编制成字典库存储起来。在实际故障诊断时,输入端在相同的激励下,将测量电路的实际响应特征与字典库中的故障特征相比较,从而判断是否发生故障。该方法亦称故障字典法。

故障覆盖率与故障分辨率是衡量故障字典法优劣的标准。为了提高故障覆盖率和分辨率,需预存尽可能多的故障信息。但是,这将增加字典所需的存储芯片的容量。为了解决这个问题,上世纪80年代末人们开始采用了数据压缩技术[5];后来又采用了神经网络及专家系统等方法[10~16]。近年来,随着信号处理技术新方法)))小波分析的出现,人们开始研究基于小波分析的故障诊断方法。小波分析理论在故障诊断中的应用主要有两方面:1直接利用小波变换所具有的系统辨识能力,对故障进行识别和定位[16];o小波分析与神经网络配合使用实现故障诊断与故障定位。这时小波分析的任务是对信号的预处理,滤除冗余的信号,使神经网络在样本学习时尽可能减少数据,这样可以大大提高神经网络的效率。虽然测前仿真法受字典库容量限制,但其测试与诊断速度快,一旦训练样本完成,就可以进行在线诊断。所以,该方法具有广阔的发展前景。21212测后仿真法

测后仿真法是测前仿真法的/逆0方法。它首先测试各节点的状态值,然后根据故障诊断理论判断是否有故障和定位故障。测后仿真法的基本思路:假设电子电路的拓扑结构和元件类型已确定,电路存在有限的测试点,其故障是由元件参数值偏离标称值引起的。测试端口上网络状态,利用已知信息,寻找特性输出与元件参数之间的解析和数值关系。一般地,电子线路可表示为

Y=F(X,U,Z)(2)其中,Y=(y1,y2,,,y n)T为电路可测节点上的测量值(电压/电流);X为内部变量向量;U=(u1,u2, ,,u k)T为电路输入向量;Z=(z1,z2,,,z b)T为电路元件参数向量;F为电路的特性函数,由电路结构与参数值唯一确定,一般对实际电路有n n b。

设电路参数的标称值为Z0,其对应输出为Y0,电路的故障是由参数$Z的改变而引起的,其输出为Y=Y0+$Y。如果电路的容差为Z N,则当参数变化$Z m Z N时,引起Y偏离标称值Y0,则电路发生故障。当电路发生故障时,式(2)可表示为

$Y=G($Z)(3)求解式(3)的函数关系G(G亦称诊断方程),并唯一地确定$Z,则故障诊断问题将得到解决。为了求解诊断方程G,人们做了大量的研究工作,文献[6,10]提出了两种不同的诊断方程G及其求解方法,均具有很好的应用效果。

3

第1期王淑娟,张青森等:电子线路可靠性容差分析与故障诊断方法的研究现状

在容差分析与故障诊断方法中,测后仿真法可以直接用于线性电路。实际上,由于三极管、MOS管及IB GT等器件的非线性,以及温度、湿度等环境因素的影响,将使电路呈现一定的非线性。这里主要有两种处理方法:1分段线性法。该方法简单实用,但累积误差比较大;o迭代法。该方法在非线性运算中应用最多,计算精度高,但计算复杂,耗时长。

3结论

1)电子线路可靠性容差分析是电子线路可靠性设计的重要组成部分,容差分析方法包括蒙特卡洛方法、增量分析方法、区间分析方法和仿射分析方法,其中区间分析方法和仿射分析方法实用性较强。

2)电子线路的故障诊断主要发展方向是电子线路多故障的诊断。从理论上讲,能够进行多故障诊断。但是,多故障诊断的状态数很大,许多故障状态不易区分。如何构造多故障字典和识别那些不易区分的故障是以后研究的重点。以电子线路典型参数作为特征量,基于模糊神经网络的多信息融合故障诊断方法将成为该领域的热点研究方法。

电子线路的可靠性容差分析与故障诊断是研究电工产品可靠性的关键技术。容差分析与故障诊断是一门集数理统计学、区间数学、信息学、系统理论、网络理论、计算机科学等为一体的综合性理论与技术,它可以应用到国防军事、电力系统、工业自动化等领域,具有广泛的应用发展前景。

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