怎樣設(shè)計一個穩(wěn)定可靠零失效的硬件電路(WCCA理論、步驟、實例)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
不少網(wǎng)友自己設(shè)計的產(chǎn)品碰到過下述情況： 1. 高溫情況下不工作了，查不出什么原因 2. 經(jīng)常碰到一些莫名其炒的問題，查不出原因 3. 設(shè)備工作一段時間以后，突然失效不工作了。 類似這樣的問題，需要通過可靠性的設(shè)計方法避免，WCCA就是可靠性設(shè)計一個重要手段；
什么是WCCA
WCCA即最壞情況分析(Worst case circuit analysis)的硬件電路誤差分析的一種技術(shù)手段，用于電路的可靠性分析，用于評估電路器件的性能參數(shù)同時發(fā)生最壞情況時的電路性能，用于保證電路在不同的工作環(huán)境(溫度、濕度、氣壓等）下，在整個產(chǎn)品的生命期內(nèi)都能可靠工作，它是全面、系統(tǒng)分析電路的方法，是可靠性設(shè)計的重要手段。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202404/457656.htmWCCA分析方法
我個人常用的WCCA分析方法有極值法(extreme value)和蒙特卡洛(monte carlo)分析方法。
此文先講解一下極值法；
極值法一種根據(jù)器件的最大值、最小值或者是中間取值，根據(jù)器件參數(shù)與電路性能參數(shù)之間的解析關(guān)系，得到電路性能參數(shù)的最大值、最小值、平均值的一種分析方法；
主要步驟是：
1. 根據(jù)電子電路技術(shù)，分析電路，得到電路性能參數(shù)與各器件性能參數(shù)的數(shù)學解析表達式；
2. 從數(shù)學解析表達式中，分析電路性能參數(shù)與器件參數(shù)之間的變化關(guān)系，比如當器件參數(shù)增大時，電路性能參數(shù)也增大；或者是器件參數(shù)取極大、極小值之間的某一個數(shù)值時，電路性能參數(shù)可以得到最大/最小值；
3. 從器件的規(guī)格書以及實驗數(shù)據(jù)中獲取各器件的最大值，最小值等極值；
4. 根據(jù)分析出的關(guān)系，選擇器件的參數(shù)數(shù)值確定電路性能參數(shù)的最大值，最小值；
5. 判斷電路性能參數(shù)是否滿足最大值、最小值是否滿足電路可靠性工作要求；
元器件參數(shù)的誤差
器件參數(shù)主要有三方面的誤差：
初始誤差
是指元件器因為制作工藝、器件差異、生產(chǎn)批次等原因，導致其性能參數(shù)與其標稱值相比的誤差；
比如標稱1k，5%精度的電阻，其廠的初值電阻可以在0.95k-1.05k之間；
環(huán)境誤差
是指元器件的性能受環(huán)境因素影響，其參數(shù)指標發(fā)生了變化，與其標稱值發(fā)生了偏差；
BE極導通電壓與C極電流、溫度關(guān)系曲線
比如從下圖三極管的BE極導通電壓與溫度、C極電流的關(guān)系曲線，我們可以知道，當溫度在-25℃，C極電流為3.2A時，BE極的電壓可以高達 1.4V。
再比如三極管的電流放大倍數(shù)，從下圖可以得到，當C極電流達到2.0A，溫度為-25℃時，電流放大倍數(shù)僅為40左右。
C、Ｂ極電流放大倍數(shù)與C極電流、溫度關(guān)系曲線
老化誤差
隨著時間的推移，元器件的性能會發(fā)生衰退，從而導致參數(shù)發(fā)生變化；
一個簡單的例子
下圖的電路是某網(wǎng)友提供的采用三極管實現(xiàn)的繼電器驅(qū)動電路，我們用WCCA分析一下該電路的可靠性；
某網(wǎng)友提供的繼電器驅(qū)動電路
對于這個電路，我們就考慮一個電路參數(shù)指標：
1. Q51的C極電路，能否讓繼電器可靠的吸合、斷開，以及Q51飽和導通；
當單片機輸入高電平時，繼電器需要在全溫度范圍內(nèi)保證可靠吸合
根據(jù)電子、電路的相關(guān)理論，我們通過下面兩個公式計算Q51的C極電流以及CE極的壓降:
公式1
其中IB是Ｂ極電流，
從元器件規(guī)格書以及經(jīng)驗，我們可以知道：
R123最小值是2.97kΩ，最大值是3.63kΩ。
R125最小值是9kΩ，最大值是11kΩ。
VBE(on)的最小值是0.3V，最大值是1.1V。
放大倍數(shù)β最小值是30，最大值是120。
單片機輸出的高電平最小值是3.0V，最大值是3.6V。
繼電器繼圈電阻最小值是108Ω，最大值是132Ω；
經(jīng)過上式的分析，我們也不難得到：
當VH取最小值，VBE(on)取最大值，R123最大值，R125取最小值，放大倍數(shù)β取最小值時，IC取最小值；
IC最小值是：
公式2
施加在繼電器線圈上最小電壓為11.9mA*108Ω=1.28V，達不到繼電器的最低吸合電壓；
此時，Q51的CE的電壓是5V-1.28V=3.72V，處于放大狀態(tài)；
合理的取值
excel公式計算合理參數(shù)
我們通過excel的公式對參數(shù)進行優(yōu)化，R123只需要選擇1kΩ,5%精度的R123就可以滿足可靠性的設(shè)計要求；
不需要改電路，不需要增加成本，僅是一個電阻阻值變化，就可以大大增加設(shè)計可靠性，真是一個電阻引發(fā)的血案。
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