電路設計的故障分析

2020-09-24

在電子行業(yè)工作了多年之后，我終于了解，欣賞并利用了風(fēng)險分析。如果沒(méi)有某種類(lèi)型的風(fēng)險分析，我們會(huì )盲目地相信設計師，供應商和制造商會(huì )使用高質(zhì)量的組件，并依賴(lài)導致質(zhì)量保證的產(chǎn)品的質(zhì)量流程。盡管這種信任水平可以加快向客戶(hù)的產(chǎn)品分銷(xiāo)速度，但也可能導致災難性的失敗。有條理的風(fēng)險分析技術(shù)對于幫助工程師消除猜測，識別風(fēng)險和評估后果非常必要。

風(fēng)險分析的重要性

當工程師識別風(fēng)險時(shí)，我們會(huì )從事件，來(lái)源和威脅方面進(jìn)行思考。盡管我們可以在年終假期聚會(huì )的背景下定義事件，但事件對項目的負面影響要大得多：事件會(huì )阻止項目實(shí)現目標。每個(gè)事件最終都會(huì )帶來(lái)負面結果（稱(chēng)為威脅），并且具有稱(chēng)為觸發(fā)源的稱(chēng)為源的元素。任何識別風(fēng)險的嘗試都必須考慮定義項目目標，風(fēng)險來(lái)源，可能發(fā)生的事件以及對那些目標的威脅的鏈條。

例如，一個(gè)項目可能具有專(zhuān)注于為客機生產(chǎn)下一代航空電子設備的目標。從PCB設計的角度來(lái)看，風(fēng)險源可能包括高公差組件的可用性以及供應鏈中斷迫使設計團隊選擇低公差組件進(jìn)行生產(chǎn)的可能性。在測試期間，當產(chǎn)品在模擬過(guò)程中發(fā)生故障（表明在飛行條件下組件發(fā)生故障）時(shí)，威脅就變得顯而易見(jiàn)。

當我們評估風(fēng)險時(shí)，我們會(huì )根據威脅的嚴重程度和事件發(fā)生的可能性來(lái)組織已確定的所有風(fēng)險。為了簡(jiǎn)化一點(diǎn)，我們可以基于嚴重性和概率的乘積構造一個(gè)矩陣。我們將此產(chǎn)品稱(chēng)為綜合風(fēng)險指數（CRI）。CRI的高值意味著(zhù)更高的優(yōu)先級風(fēng)險。掌握了CRI值后，我們可以確定風(fēng)險的優(yōu)先級并確定我們是否要減輕或接受風(fēng)險。

 

故障分析

故障分析（FTA）   使用自上而下的方法來(lái)發(fā)現故障原因。每個(gè)圖形故障樹(shù)都由兩種不同類(lèi)型的事件和連接事件的邏輯門(mén)組成。布爾邏輯描述了低級，不需要的系統狀態(tài)（或基本事件）之間的邏輯關(guān)系，這些狀態(tài)可能導致系統故障或最高事件。工程團隊可以使用一個(gè)或多個(gè)故障樹(shù)來(lái)顯示組件故障狀態(tài)的組合。我們可以使用下表中顯示的符號來(lái)構建一個(gè)地圖，該地圖顯示事件如何發(fā)生。

 

由于FTA是自上而下工作的，因此我們通過(guò)定義主要故障來(lái)開(kāi)始該過(guò)程。主要故障成為故障樹(shù)中的首要事件。從那里，我們使用可用的技術(shù)信息來(lái)識別基本事件和邏輯門(mén)，以顯示主要事件和基本事件之間的關(guān)系。然后，我們遵循相同的過(guò)程來(lái)識別其他基本事件，并顯示與主要事件的邏輯關(guān)系。每個(gè)邏輯門(mén)代表一個(gè)故障狀態(tài)。下圖顯示了FTA的一小部分，但實(shí)際的故障樹(shù)具有許多分支和事件。

  

FTA的分析部分從剪切集（或可能導致主要事件的一組組合基本事件）開(kāi)始。隨著(zhù)分析的繼續，切割集減少到最少的切割集或可能導致主要事件的最小事件數量。每次分析都可以通過(guò)對最小割集的概率計算得出結論。在團隊為每個(gè)基本事件分配概率后，他們可以使用可靠性和概率方程式來(lái)確定系統的可靠性或發(fā)生頂級事件的概率。 

失效模式與影響分析

顧名思義，故障模式和影響分析（FMEA）  確定可能的故障模式，并考慮這些故障模式對系統性能的影響程度。與僅研究關(guān)鍵或安全系統的FTA方法相反，FMEA考慮所有潛在的故障模式，然后識別，評估并確定可能的故障的優(yōu)先級。FMEA在電路或產(chǎn)品的設計階段運作良好，并通過(guò)顯示可能的操作挑戰或消除級聯(lián)問(wèn)題來(lái)提供價(jià)值。

在FMEA方法中，每種故障模式都會(huì )收到基于嚴重性（S），事件（O）和可檢測性（D）的風(fēng)險評分，并接收等于三個(gè)因素乘積的風(fēng)險優(yōu)先級數字。在大多數情況下，設計團隊將繼續分析RPN大于100的故障模式，并采取糾正措施。該FMEA方法還允許團隊來(lái)評估故障對整個(gè)系統操作的影響。

FMEA與FTA

FTA與FMEA的概念讓人想起兩位身著(zhù)忍者的對手，他們仔細地互相盤(pán)旋，尋找機會(huì )。相反，情況恰恰相反。在大多數情況下，工程團隊會(huì )結合這兩種技術(shù)來(lái)全面評估風(fēng)險。使用這種混合方法，團隊可以充分利用FTA和FMEA的優(yōu)勢，同時(shí)最大限度地減少局限性。 

使用混合FTA / FMEA或FMEA / FTA方法，團隊可以分析日益復雜的系統，其中包括影響功能和安全性的大量關(guān)鍵組件。通過(guò)對可能導致不良事件以及存在故障的原因的條件進(jìn)行廣泛分析，可以得出混合方法的好處。

FMEA與FTA分析的比較不那么重要，因為這兩種技術(shù)都有很多好處。建議將兩種技術(shù)結合在一起以準確有效地識別風(fēng)險是采取的最佳方法。