可靠性仿真技術(shù)在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與分析

山東華宇工學(xué)院 鄧 蕾

隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谌粘Ｉa(chǎn)以及生活中，對(duì)于電子設(shè)備的依賴性越來越強(qiáng)，當(dāng)前對(duì)于電子設(shè)備功能的需求也越來越多，在這樣的情況下，電子設(shè)備傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證手法已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的需求，因此在當(dāng)前的電子設(shè)備發(fā)展中，需要增強(qiáng)電子設(shè)備可靠性方面的設(shè)計(jì)工作，只有這樣才可以有效滿足當(dāng)前的使用。在這樣的背景下，當(dāng)前相關(guān)的設(shè)計(jì)人員提出了可靠性仿真技術(shù)，這種技術(shù)是能夠?qū)Ξ?dāng)前電子設(shè)備的可靠性水平進(jìn)行驗(yàn)證以及評(píng)估，從而指導(dǎo)改進(jìn)當(dāng)前的電子設(shè)備。通過在設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)電子設(shè)備的可靠性仿真技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，能夠有效提升電子電路設(shè)計(jì)過程中的完善性，從而增強(qiáng)整體的可靠性，對(duì)于當(dāng)前的電路設(shè)計(jì)工作，有著非常重要的價(jià)值。

1 可靠性仿真技術(shù)與傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的分析

在當(dāng)前的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于可靠性的指標(biāo)有著較為嚴(yán)格的要求，通過這樣的方式，直接提升了整體的運(yùn)作效率。在當(dāng)前對(duì)于電子設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證的時(shí)候，主要采用的方式是在規(guī)定的可靠性指標(biāo)淺前提下，完成對(duì)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，并且開展新一輪的可靠性預(yù)計(jì)工作，直到最終的結(jié)果滿足指標(biāo)的要求，只有這種情況下，才可以保證電子設(shè)備的能效可以滿足可靠性要求，進(jìn)而進(jìn)行生產(chǎn)的工作。這種評(píng)估方式，能夠準(zhǔn)確地對(duì)當(dāng)前電子設(shè)備的可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，但是在使用的過程中，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間用于評(píng)估以及改進(jìn)，因此會(huì)產(chǎn)生非常高的費(fèi)用，并且這種方式，在不同的設(shè)備評(píng)估過程中，需要對(duì)設(shè)備的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，也就是說，這種方式本身不具備可操作性，導(dǎo)致了現(xiàn)代化在這種情況下難以實(shí)現(xiàn)。

因此針對(duì)這樣的情況，當(dāng)前有部分的工作人員將目光轉(zhuǎn)向了仿真技術(shù)，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，在該領(lǐng)域中，已經(jīng)有了足夠的可運(yùn)行性，將這種技術(shù)運(yùn)用在可靠性評(píng)估方面，可以有效提升可靠性評(píng)估的可操作性。同時(shí)提升對(duì)于可靠性驗(yàn)證的工作效率，降低費(fèi)用方面的消耗，因此有著非常可觀的前景。在這樣的情況下，可靠性仿真方法在設(shè)計(jì)的過程中，主要的優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：首先是能夠建立模型，從而對(duì)整體進(jìn)行檢測(cè)，這樣的方式參與人數(shù)少，并且主要由機(jī)器運(yùn)行，因此本身的驗(yàn)證能力比較強(qiáng)，其次就是在進(jìn)行的過程中，周期時(shí)間比較短，可以保證自身的準(zhǔn)確度，同時(shí)這樣驗(yàn)證方式，不需要在場(chǎng)地中進(jìn)行，因此有著很強(qiáng)的便利性，在方案的階段，可靠性仿真方法可以進(jìn)行預(yù)先的測(cè)試，進(jìn)而對(duì)當(dāng)前的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，相較于傳統(tǒng)的方式，只有在成品出現(xiàn)之后，才能夠進(jìn)行驗(yàn)證來說，無疑可以讓設(shè)計(jì)者少走很多彎路，對(duì)于設(shè)計(jì)的指導(dǎo)有著非常重要的意義，因此在當(dāng)前的設(shè)計(jì)過程中，可以通過對(duì)這部分內(nèi)容的使用，完成相關(guān)的設(shè)計(jì)。

2 可靠性仿真實(shí)驗(yàn)的流程、方法以及評(píng)估

可靠性仿真實(shí)驗(yàn)適合在電子設(shè)備設(shè)計(jì)的初期階段使用，主要是利用其模擬能力，對(duì)電子設(shè)備的后續(xù)使用以及操作過程中，可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行模擬，進(jìn)而有效完成當(dāng)前的電路設(shè)計(jì)，因此在實(shí)際的使用過程中，有著非常強(qiáng)的先進(jìn)性，能夠?qū)?shí)際的生產(chǎn)產(chǎn)生非常強(qiáng)的指導(dǎo)作用。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，主要有這幾個(gè)階段：

2.1 可靠性仿真實(shí)驗(yàn)流程

可靠性設(shè)計(jì)之中，一般會(huì)進(jìn)行五個(gè)步驟，這些步驟之中，通過對(duì)設(shè)計(jì)理念的模擬，可以得出相關(guān)的結(jié)論分析，從而指導(dǎo)當(dāng)前的設(shè)計(jì)，因此在實(shí)際的使用之中，有著非常重要的作用。第一，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的信息進(jìn)行采集，采集的內(nèi)容主要是用于模擬。其中需要采集的信息具體是設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)過程中將要采用的材料、元器件、電路設(shè)計(jì)方式、完成后預(yù)計(jì)使用的場(chǎng)所以及使用的方式等幾個(gè)方面，這些都是對(duì)產(chǎn)品日后的使用可靠性產(chǎn)生影響的條件。第二，在設(shè)計(jì)完成值周，需要進(jìn)行建模工作，建模工作是可以指導(dǎo)工作的有效方式，在使用的過程中，通過對(duì)模型的運(yùn)行，可以在一定程度上模擬實(shí)際的情況，因此其中會(huì)使用到CAD數(shù)字樣機(jī)建模，CFD數(shù)字樣機(jī)建模，RFA數(shù)字樣機(jī)建模等幾種方式，在建模的時(shí)候就能后對(duì)模型的一些結(jié)構(gòu)等進(jìn)行驗(yàn)證以及修正。第三，對(duì)模型運(yùn)行過程中的一些影響條件記性分析，首先是應(yīng)力分析，其次是熱應(yīng)力分析，最后就是振動(dòng)力分析。在分析完成后，就需要進(jìn)行第四步，故障預(yù)計(jì)，對(duì)可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行模擬，從而找出故障中的原因，分析其中受到的損失和累計(jì)的損傷，最后就是進(jìn)行仿真評(píng)估，在評(píng)估的過程中，對(duì)故障的種類以及概率進(jìn)行分析，并且對(duì)故障的分布以及其他方面做出評(píng)估，從而完成對(duì)仿真的驗(yàn)證。

2.2 可靠性仿真流程

第一，設(shè)計(jì)信息的采集。在設(shè)計(jì)信息的采集過程中，需要對(duì)使用的情況進(jìn)行充分分析，因此在設(shè)計(jì)的過程中，可以對(duì)應(yīng)用環(huán)境以及使用方式進(jìn)行模擬，進(jìn)而有效對(duì)當(dāng)前的數(shù)量進(jìn)行分析，因此在當(dāng)前的測(cè)試之中，主要針對(duì)的問題是設(shè)計(jì)過程中，溫度以及應(yīng)力方面存在的不足。

第二，信息模塊的收集。在信息收集之中，除了對(duì)結(jié)構(gòu)的分析之外，還需要對(duì)元器件的信息進(jìn)行收集，其中包括元器件的型號(hào)，尺寸，封裝以及重量等因素進(jìn)行收集，尤其是在一些較為復(fù)雜的電路之中，涉及到的元器件數(shù)量非常多，因此需要對(duì)元器件的規(guī)格等進(jìn)行詳細(xì)的錄入，才能夠展開后續(xù)的操作。

第三，數(shù)字樣機(jī)的建模，在數(shù)字樣機(jī)建模過程中，主要使用CAD、CFD以及FEA等幾種形式，因此在驗(yàn)證的過程中，首先需要建立CAD數(shù)字樣機(jī)的模型，隨后則是根據(jù)熱設(shè)計(jì)的信息進(jìn)行CFD數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)，最后就是進(jìn)行FEA數(shù)字樣機(jī)的模型建設(shè)，同歸哦對(duì)運(yùn)作的方式，以及在運(yùn)作過程中，元器件產(chǎn)生的溫度等進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而得出當(dāng)前的測(cè)試結(jié)果，并且在運(yùn)行的過程中，為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)的過程中，經(jīng)常會(huì)采用多次對(duì)比的方式，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過這樣的方式，讓最終的效果達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。

除此之外，在設(shè)計(jì)的過程中，最終的結(jié)果需要對(duì)當(dāng)前的應(yīng)力進(jìn)行分析，應(yīng)力包含的內(nèi)容首先是溫度應(yīng)力，同時(shí)參照正常的參數(shù)表格，對(duì)當(dāng)前的應(yīng)力是否準(zhǔn)確進(jìn)行有效的評(píng)估，進(jìn)而找出當(dāng)前應(yīng)力之中存在的問題，以及缺陷，尤其是電氣設(shè)備之中，溫度本身對(duì)于應(yīng)力方面的影響非常深遠(yuǎn)，因此保持一個(gè)較高的溫度，對(duì)于實(shí)際的溫度應(yīng)力影響非常大，在這樣的情況下，如果出現(xiàn)溫度過高的情況，就表明了在電路設(shè)計(jì)的過程中，存在一定的缺陷，受到缺陷的影響，導(dǎo)致了當(dāng)前的應(yīng)力存在很大的不足。其次就是對(duì)振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析，很多元器件在工作的時(shí)候，會(huì)受到一定的振動(dòng)影響，在這樣的情況下，很容易造成元器件的連接出現(xiàn)問題，甚至在很多安裝的過程中，這種脆弱結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)故障，因此對(duì)于振動(dòng)的應(yīng)力分析是非常重要的，直接關(guān)系到電路的安全。

2.3 可靠性仿真評(píng)估

在當(dāng)前的可靠性仿真評(píng)估之中，一般會(huì)采用的軟件就是Matlab軟件，使用這種軟件的主要功能是對(duì)當(dāng)前電子設(shè)計(jì)之中，潛在故障點(diǎn)以及故障的首發(fā)時(shí)間進(jìn)行分析，在使用的過程中，采用對(duì)單點(diǎn)故障的密度分布進(jìn)行你和，進(jìn)而使用多點(diǎn)融合的方式，可以有效對(duì)當(dāng)前的電路運(yùn)行過程中，存在的問題進(jìn)行分析，進(jìn)而找出不足的部分。

3 可靠性實(shí)驗(yàn)的作用

通過可靠性實(shí)驗(yàn)，可以推動(dòng)當(dāng)前的電路改進(jìn)。其中主要的優(yōu)勢(shì)在以下幾個(gè)方面：首先是增強(qiáng)了印制板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在使用的過程中，通過對(duì)電源模塊元器件進(jìn)行模擬，可以有效改善當(dāng)前在設(shè)計(jì)過程中電器元件存在的問題，從而對(duì)后續(xù)的改進(jìn)起到指導(dǎo)的作用。其次就是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的溫度問題，這是電路設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常存在的一種現(xiàn)象，因此在當(dāng)前的設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)溫度的測(cè)量，讓實(shí)際的溫度有了很大的改善，從而優(yōu)化了當(dāng)前的電氣設(shè)計(jì)，保證了電氣設(shè)計(jì)過程中的有效性。

因此在當(dāng)前的設(shè)計(jì)中，仿真實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，首先能夠在電子設(shè)備初期設(shè)計(jì)的過程中，起到非常強(qiáng)的指導(dǎo)作用，對(duì)于故障的存在以及隱患問題進(jìn)行有效的查出，這樣能夠在初期對(duì)整體的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，從而方便了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中浪費(fèi)浪費(fèi)的時(shí)間，提升了設(shè)計(jì)工作的改進(jìn)效率，并且在設(shè)計(jì)的時(shí)候，能夠指導(dǎo)改進(jìn)工作的有效進(jìn)行以及發(fā)展，同時(shí)對(duì)當(dāng)前的方案缺陷進(jìn)行發(fā)掘，讓設(shè)計(jì)過程能夠更好的進(jìn)行。其次就是在可靠性仿真實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程中，直接出示相關(guān)的指標(biāo)量，這在初期的設(shè)計(jì)過程中是非常重要的，通過對(duì)制定梁進(jìn)行分析，從而可以有針對(duì)性的選擇改進(jìn)方案，從而保證當(dāng)前的設(shè)計(jì)有效進(jìn)行。

最后就是能夠?qū)ρ芯康某晒M(jìn)行擴(kuò)大，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)過程中，很多設(shè)計(jì)本身的成本較低，但是在研發(fā)周期以及材料浪費(fèi)等方面，直接提升了整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的成本，因此使用可靠性仿真設(shè)計(jì)，能夠有效減少周期，降低費(fèi)用，并且其本身具備較高的準(zhǔn)確性，這樣在設(shè)計(jì)的時(shí)候，很多的數(shù)據(jù)來源都是相對(duì)可靠的，所以對(duì)設(shè)計(jì)而言，這樣的方式直接減少了最終的成本，從而提升了當(dāng)前電路設(shè)計(jì)可靠性中的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)束語：綜上所述，通過對(duì)可靠性仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)際的生產(chǎn)之中的應(yīng)用分析，充分對(duì)當(dāng)前的可靠性仿真設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了梳理，其本身帶有較強(qiáng)的可實(shí)施性，并且電路設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)之中，對(duì)于經(jīng)濟(jì)以及電子設(shè)備設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義有著非常大的作用。