容差容错分析

系统容差容错分析2023/10/132引言容差分析冗余容错设计主要内容2023/10/133基本概念容差分析流程容差分析方法软件仿真方法总结容差分析2023/10/134容差分析定义容差分析是一种预测电路性能参数稳定性的方法。它主要分析电路组成部分的参数偏差在规定的使用条件范围内对电路性能容差的影响。----GJB/Z89-97《电路容差分析指南》容差分析目的在产品规定的使用范围内，确保产品各组成部分的参数变化对产品性能稳定性的影响控制在允许范围内，并据此对电路组成部分参数容差进行修正。容差分析基本概念2023/10/135产生容差问题的原因组成系统的元器件参数通常是以标称值表示的，实际却存在着公差。容差分析基本概念如标称值为1000欧姆，精度为±10%的电阻，其实际阻值在900-1100欧姆范围内这个原因产生的参数偏差是固定的2023/10/136产生容差问题的原因外部条件(环境、电源、负载)变化产生参数漂移。容差分析基本概念环境温度、相对湿度的变化，电应力的波动，以及负荷的变化、频率变化、元器件的瞬态特性等都会使电子元器件参数发生变化。在设备工作过程中各种干扰会引起电源电压波动，从而使电源电压和元器件参数的实际值发生变化，偏离标称值产生漂移。漂移之后的元器件参数就可能使电路的性能参数超出允许范围。这种情况的偏差，在多种情况下是可逆的，即随着条件改变参数可能恢复到原来的值；2023/10/137产生容差问题的原因退化效应容差分析基本概念很多电子产品在长期的使用过程中，元器件参数分布中的均值和标准方差都可能随着时间的积累，在环境条件的影响下发生变化。这种情况产生的偏差是不可逆的。2023/10/138容差分析时机电路容差分析应从设计早期初步电路图给出时开始，一般在做过故障模式影响分析（FMEA）之后进行，电路在修改后应再进行容差分析。容差分析基本概念2023/10/139容差分析流程2023/10/1310容差分析流程经费与进度的限制任务重要性FMEA或其它分析结果需进行容差分析的关键电路确定原则2023/10/1311容差分析流程严重影响安全性或严重影响任务完成的电路昂贵的电路采购或制作困难的电路需要特殊保护的电路关键电路2023/10/1312容差分析流程

在规定的使用条件下，明确被分析电路的功能，进行各种工作方式下电路性能的试验分析或仿真分析，得到电路参数在规定条件下输出的标称值。2023/10/1313容差分析流程

明确电路使用的环境应力条件，按照电路元器件清单和元器件手册，或利用热测试试验以及技术人员经验，分析电路和元器件的实际工作温度范围2023/10/1314容差分析流程

明确电路中主要元器件参数的标称值、偏差范围以及分布；电源和信号源的额定值和偏差值；电路接口参数等。2023/10/1315容差分析流程

根据已明确的电路条件按选定的方法对电路进行容差分析，求出电路输出性能参数的偏差范围，找出对电路输出性能敏感度影响最大的参数并进行控制，使电路满足要求。2023/10/1316容差分析流程

把容差分析所得到的参数偏差范围与电路性能指标要求相比较，如符合要求则分析结束，如不符合要求，则应修改设计，直到能够满足电路性能指标要求为止。2023/10/1317容差分析方法最坏情况试验法伴随网络法阶矩法最坏情况分析法蒙特卡罗法2023/10/1318容差分析—最坏情况试验法最坏情况试验法是使电路处于环境、大气压、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的上下限值的条件下，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。最坏情况试验法不需要建立电路数学模型，但必须在实际电路上才能进行试验。2023/10/1319容差分析—伴随网络法伴随网络法是通过求原电路网络及其伴随网络(应用特勒根定理)的支路电压、电流来获得电路输出响应对各支路元件的灵敏度及偏差来进行容差分析的一种方法。具体做法是：根据电路图列出等效电路图作为原网络；然后将原网络转换为伴随网络；分析网络输出端口的电压、电流，计算最大偏差和标准偏差；最后计算出网络输出电压偏差的变化率。伴随网络法能分析较复杂电路，只适用于线性电路。2023/10/1320容差分析—阶矩法阶矩法是根据电路组成部分参数的均值和方差来分析电路性能参数偏差的一种概率方法。该法根据电路组成单元的均值和方差，求出电路总体性能参数的均值和方差，并分析电路性能参数容许偏差的出现概率。这种方法要建立电路组成部分参数和电路输出参数之间的关系式，以及电路组成部分参数方差和电路输出参数之间的关系式。阶矩法适用于线性电路或非线性电路，但要求电路组成部分参数的随机漂移是在标称值附近不大范围内，而且假设电路性能参数近似为正态分布，因此在使用中受到一定的限制。2023/10/1321容差分析—最坏情况分析法分析在元器件参数最坏组合情况下的系统性能参数偏差的一种非概率统计方法，该方法利用已知元器件的变化极限来预计系统性能参数变化是否超过了允许范围。在预计系统性能参数变化范围时，元器件参数的变化取它们的上、下极限值。如果预计的系统性能参数在规定的范围内，那么就可以确信该系统有较高的稳定性。如果预计值超出了规定的允许变化范围，那么就可能发生漂移故障。最坏情况分析法可以预测某个系统是否发生漂移故障，并提供改进的方向，但不能确定发生这种故障的概率。该法简便、直观，但分析的结果偏于保守。2023/10/1322容差分析—蒙特卡罗法蒙特卡罗分析法是当元器件的参数存在偏差范围时，由各元器件的参数抽样值来分析系统性能参数偏差的一种统计分析方法。具体做法：按元器件的实际参数X的分布，对X进行随机抽样，该抽样值记作(X1,…,Xm)，将它代入系统性能参数表达式，得到第一个随机值Y1=f(X1,…,Xm)，如此反复n次，得到n个随机值。然后对Y进行统计分析，求出不同容许偏差范围内的概率。蒙特卡罗法适用于可靠性较高的电路，分析结果最接近电路的实际情况，能用CAD，但计算较复杂。2023/10/1323几种容差分析方法的比较方法优点缺点适用范围最坏情况试验法反映真实使用条件成本高实现复杂所有电路最坏情况分析法方法简便直观，可得到灵敏度结果偏保守模拟电路最坏情况逻辑模拟分析能分析复杂电路，能用CAD计算较复杂数字电路蒙特卡罗法最接近实际情况，能用CAD计算较复杂模拟电路伴随网络法能分析较复杂电路，能用CAD计算复杂只适用于线性电路阶矩法计算原理简单，能用CAD计算复杂模拟电路首选最坏情况分析法和蒙特卡罗法。一般不用最坏情况试验法2023/10/1324容差分析工具——OrCAD系统功能建模和分析最坏情况分析蒙特卡罗分析温度分析优化工具分析参数偏差容差分析环境温度变化容差分析退化效应容差分析参数分析OrCAD/PSPICE容差分析相关功能OrCAD/PsPice是一款出色的EDA仿真软件，它以功能强大、计算准确高效、开放程度高等优势占据全世界仿真市场40%以上的市场份额。2023/10/1325容差分析工具——OrCAD仿真一般步骤2023/10/1326容差分析工具——OrCAD仿真一般步骤.modelRbreakRESR=1LOT=5%.modelCbreakCAPC=1DEV=5%使电路性能参数的最大值增大或减小使电路性能参数的最小值增大或减小使电路性能参数与标称值运算时相差最大的点的数值增大或减小提前或滞后电路性能参数上升到规定值的第一次发生时刻提前或滞后电路性能参数下降到规定值的第一次发生时刻2023/10/1327容差分析示例举例：带通滤波器电路2023/10/1328容差分析示例举例：带通滤波器电路序号参数名称参数标识标称值偏差范围/%1电阻1R116.4KΩ

52电阻2R2218Ω

53电阻3R31KΩ

54电容1C10.47uF

55电容2C20.47uF

5带通滤波器电路的主要设计参数表30℃的条件下，中心频率范围在320Hz~380Hz之内，幅值在20mv~40mv之间技术要求：2023/10/1329容差分析示例举例：带通滤波器电路带通滤波器电路在标称值下的频率响应曲线30.489mv2023/10/1330容差分析示例最坏情况分析电阻和电容都具有5%的批偏差范围使输出变量与标称值运算时相差最大的点的数值增大或减小35.384mv26.302mv2023/10/1331容差分析示例蒙特卡罗仿真电阻和电容都具有5%的批偏差范围，正态分布仿真次数300次，种子数175332023/10/1332容差分析示例蒙特卡罗仿真电阻和电容都具有5%的批偏差范围，正态分布仿真次数300次，种子数17533最大幅值直方图2023/10/1333容差分析示例蒙特卡罗仿真电阻和电容都具有5%的批偏差范围，正态分布仿真次数300次，种子数17533带宽直方图2023/10/1334容差分析示例温度影响分析电阻和电容的线性温度系数为0.1按-55，-25，0，25，55，80，100，125度进行温度分析2023/10/1335a) 需要进行容差分析的电路一定是关键电路，要根据任务的重要性、经费与进度的限制条件以及它的故障严重后果来确定。b) 电路容差分析应在电路初步设计完成，并获得设计、材料、元器件等方面详细信息后进行。c) 电路容差分析工作应由设计人员为主来完成。d) 尽可能利用成熟软件来进行容差分析，不仅可以提高分析的精度，而且可以降低复杂电路的分析难度。e) 为简化手工计算的工作量，可以根据经验来确定容差分析必须考虑的重要设计参数，以缩小分析范围。容差分析工作要点2023/10/1336对于容差分析合格的电路，当发生设计改动时，应该再次进行容差分析。对于容差分析不合格的电路，应该首先考虑控制灵敏度最大的设计参数的偏差范围，然后才考虑多数器件采用低公差、高稳定性元器件的方案。当全部器件采用低公差、高稳定性元器件的改进方法仍然不能满足要求时，应该考虑重新进行电路的参数设计，以使电路性能参数更稳定。如果没有更合理的设计参数供选择，则应考虑修改电路的结构。容差分析工作要点2023/10/1337对容差分析不合格电路的改进措施找出对系统参数影响较大的元器件，并提出低公差、高稳定的要求，而对那些影响不大的元器件，则采用一般的要求。全部采用低公差、高稳定性元器件。更改电路的参数设计，选择稳定性最优的元器件参数方案。更改电路的结构设计，使电路允许元器件有较大的公差。容差分析工作要点2023/10/1338基本概念冗余设计程序冗余设计方法工作要点冗余容错设计2023/10/1339系统容错−指当构成系统的某一个或若干个组成部分出现故障时,系统采用其他单元或利用相关算法,确保系统继续保持规定性能指标,或在可接受的性能降级指标下继续稳定运行的能力。−系统在其组成部分出现特定故障或差错的情况下仍能执行规定功能的一种设计特性。冗余−产品通过采用一种以上的手段保证在发生故障时仍能完成同一种规定功能的一种设计特性。冗余容错基本概念2023/10/1340容错设计−是当系统内部存在缺陷时，仍能保持系统正常工作（也许是在降低功能水平下工作，但必须是在可接受水平上的工作）的一种设计手段。−冗余是实现产品容错能力的一种重要手段。容错设计目的是使在系统出现故障时,重构后的系统应尽量接近原有系统的性能,从而避免生产停车等事故带来的巨大经济损失，换言之就是阻止缺陷的扩散，使系统不发生故障。冗余容错基本概念2023/10/1341适用时机−应根据产品任务可靠性要求，在设计/研制阶段的初期，与其他设计工作同步开展−应与可靠性建模、分配、预计等可靠性分析工作相结合，并反复迭代，以确保最终的产品设计满足预期要求−冗余容错基本概念2023/10/1342适用对象(1)通过提高质量和基本可靠性的方法（如采用更好的元器件、降额设计、简化设计、软件纠错等），仍不能满足任务可靠性要求的功能通道或产品组成单元；(2)由于采用新材料、新工艺或用于未知环境条件下，因而其任务可靠性难于准确估计、验证的功能通道或产品组成单元；(3)影响任务失败的可靠性关键项目和薄弱环节；(4)其故障可能造成人员伤亡、财产损失、设施毁坏和环境破坏等严重后果的安全性关键项目；(5)产品改进较采用冗余单元花费更多等其他需要采用冗余设计的功能通道或产品组成单元。冗余容错基本概念2023/10/1343冗余的类型按照冗余使用的资源划分硬件冗余数据/信息冗余指令/执行冗余软件冗余按照实施冗余的产品级别划分系统级冗余子系统级冗余部件级冗余冗余设计方法2023/10/1344冗余的类型按照冗余方法划分静态冗余动态冗余混合冗余按照冗余系统的工作方式和各个单元的工作状态划分工作冗余备用冗余冗余设计方法2023/10/1345冗余设计的原则(1)冗余设计应当以有关的权衡分析为依据，当采用其它技术(例如：降额、简化电路和采用更可靠的元器件等)不能解决问题时，或者当改进产品设计所花费用比重复配置更多时，应采用冗余设计；(2)采用冗余技术会使产品的重量、体积、功耗、复杂度增加，复杂度的提高会导致非计划的维修增多。就是说，冗余技术减少了任务故障（提高了任务可靠性），但使后勤故障增多了（降低了基本可靠性）。为缓和这种矛盾，一般来说,应在较低层次而不是在较高层次用硬件冗余。然而，在低层次上实现冗余要求很多切换装置，这也带来一定的风险，同时，过多的低层次冗余也增加了测试的负担。所以从实际考虑，应综合使用系统级冗余和低层次冗余。冗余设计方法2023/10/1346冗余设计的原则(3)对不得己选用可靠性不高元器件的单元，或者在设备通电时难以检测到的单元应优先考虑冗余设计；(4)因冗余所获得的可靠性增长，不要被由于构成冗余布局所需的转换器件和其它外部器件所增加的失效所抵消；(5)在冗余设计时要注意，冗余系统中有可能会局部抵消冗余作用的单点故障。例如，冗余电子电路封装在一个集成电路包中，那么诸如气密封口漏气之类的单点故障就会使整个电路失效。这种在统计学上称为共因故障。因此在进行冗余系统设计分析过程中，要重点分析共因故障的概率。冗余设计方法2023/10/1347典型的冗余设计方法简单并联的冗余设计系统中所有冗余单元均同时工作，并提供相同的输出，仅当所有冗余单元均故障时，该冗余系统才失效。冗余设计方法可靠性框图2023/10/1348冗余设计方法可靠性增长随在用元件数的增加而下降2023/10/1349典型的冗余设计方法多数表决冗余设计由n个单元组成的系统，只要系统中有k个或k个以上单元正常工作即可保证该冗余系统工作正常。冗余设计方法特点：把来自各并联单元的信号输入表决器，可检测出于多数信号不一致的故障信号并禁止其工作。2023/10/1350典型的冗余设计方法多数表决冗余设计冗余设计方法简单并联冗余多数表决冗余在使用相同资源的条件下，并联冗余比表决冗余提供更多的冗余度对于某些具有准确度、精度等要求的功能而言，表决冗余能够通过比较、判断，筛选掉异常或错误的输出，更能满足功能要求并联冗余通常用于保证一个功能通道的工作可靠性表决冗余通常用于保证多个功能通道属于静态容错设计属于静态容错设计2023/10/1351典型的冗余设计方法备用冗余设计冗余系统中冗余单元不工作，处于贮备或等待状态，只有当工作单元发生故障时，通过转换装置切换至冗余单元接替工作，直至所有单元都发生故障，该冗余系统才失效。冗余设计方法根据储备单元的工作状态：冷储备

热储备温储备2023/10/1352典型的冗余设计方法冷储备冗余它使用多重模块储备，相继运行，以维持系统的正常工作。在系统运行时，备份模块处于闲置状态，当检测到工作模块出现错误时，经过判定转换