硬件產品多維度可靠性仿真設計

葉 峰

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著近年來軌道交通的快速發展，對于信號系統鐵路信號可靠性和安全性要求越來越高。為了保障信號系統設備的安全穩定運行，利用多維度可靠性仿真分析對硬件產品進行分析設計是非常必要的。

傳統的設計開發，通過試制樣機的調試、測試和現場驗證來發現遺漏、缺陷和錯誤，并開展迭代修改和優化，是“試錯式”開發和“迭代式”開發。存在開發效率低下，質量、成本不能有效的把控等問題，不利于產品的全生命周期管理，無法對技術的更新換代和客戶需求做出快速響應，難以增強企業產品的競爭力。

隨著虛擬化技術、智能模擬仿真技術的發展，智能仿真技術引入產品裝備開發中。主要優勢為在設計前期設計變更成本低，通過仿真建立虛擬樣機進行系統集成和仿真驗證，可以減少實物試驗，降低研發成本，完成仿真驅動設計，同時還可以將仿真技術與試驗管理結合起來，提高仿真結果的置信度。利用并行工程和DFX（Design for X）技術，在設計階段盡可能早地針對不同階段中產品的性能、質量、可制造性、可裝配性、可測試性、產品可用性和成本等因素進行綜合評估，從而優化產品設計，保障工程產品質量，同時降低后期維護成本。

2 多維度可靠性仿真方法和流程

在信號系統硬件產品研發設計中開展的多維度可靠性仿真分析如圖1所示。通過仿真分析，發現硬件設備的設計薄弱環節并提供修改優化依據，從設計上提升信號系統設備的可靠性和安全性。

圖1 多維度可靠性仿真分析流程示意Fig.1 Process schematic of multi-dimensional reliability simulation analysis

在硬件產品研發設計的原理圖、PCB、板卡和整機研發各階段，先后開展電路功能仿真、故障注入仿真、信號完整性仿真、可靠性物理仿真、可靠性建模預計和整機環境應力仿真，通過開展硬件產品多維度仿真，發現設計薄弱環節，并為硬件產品優化設計提供依據。

3 故障注入仿真

3.1 故障注入仿真工作流程

在工程上，常常在電路模擬仿真的基礎上，通過Spice模型進行故障注入仿真[1-2]?；赟pice模型的故障注入仿真工作一般在原理圖設計階段開展。首先生成電路原理圖和激勵信號波形編輯，進行正常功能仿真，得到電路特性波形，然后通過失效模式分析具體故障并建立故障模型，進行故障注入并仿真。通過比較正常功能和故障注入后的電路特性波形，可以指導電路故障模式影響分析，并為故障診斷等設計提供依據。

3.2 關鍵電路故障注入仿真案例

為了驗證分析關鍵功率器件L298N的各種故障不會導致危險輸出，選取數字量輸出接口板的驅動電路進行仿真。通過調整修改原理圖，分別進行U2開路、U2G管短路和U2H管開路3種故障注入。對正常電路和3種故障情況分別進行激勵信號下的仿真，得到回讀信號和繼電器處電壓波形如圖2所示。

圖2 故障注入仿真輸出波形Fig.2 Output waveform of fault injection simulation

當電壓超過12 V并且持續時間不低于50 ms，則繼電器吸起。通過仿真波形可以看到，在當發生U2開路、U2G管短路和U2H管開路3種故障時，在靜態使能時繼電器電壓均保持在10 V以下，即繼電器落下。仿真結果顯示，這3種故障模式在各種激勵信號組合下，繼電器均為落下，故障導向安全，不會造成危險輸出。

4 PCB信號完整性仿真

4.1 PCB信號完整性仿真工作流程

在產品PCB設計中，應對關鍵高速信號進行信號完整性仿真[3-4]，分析驗證信號質量，指導PCB設計從而保證信號質量。信號完整性仿真模型主要為IBIS模型。用IBIS模型分析的信號完整性問題包括：串擾、反射、振鈴、上沖、下沖、不匹配阻抗、傳輸線分析、拓撲結構分析等?；贗BIS模型提取和建立電路拓撲結構，執行信號完整性仿真，根據電氣約束規則分析仿真波形是否滿足設計條件，指導PCB布局布線。根據實際情況，可能需要多次迭代仿真分析和設計優化后可以滿足設計條件。

4.2 高速信號完整性仿真案例

選取某板卡10 M以上關鍵信號，采用Cadence軟件進行信號完整性仿真。對時鐘差分信號進行拓撲模型提取和編輯，添加發送端和接收端的IBIS模型，添加激勵信號后進行時鐘差分信號仿真。結合相關電氣約束規則對比仿真波形，認為該時鐘差分信號質量較好，設計通過，如圖3所示。

在其他信號完整性仿真中，發現有上下過沖過大、信號存在振鈴等問題，通過調整匹配電阻和濾波電容、調整線間距和走向等措施優化設計。

5 基于失效物理的可靠性仿真

基于失效物理的可靠性仿真是以電子產品的常見失效機理和損傷理論為基礎[5]，綜合考慮電子產品壽命期內承受的環境應力和工作應力，結合典型的失效物理模型和損傷模型，建立以多機理獨立與競爭為基本假設的電子產品壽命預測方法[6]。

5.1 基于失效物理的可靠性仿真分析流程

如圖4所示，基于失效物理的可靠性仿真分析流程主要包括以下4部分：

1）信息收集：主要包括產品的器件手冊、結構和材料參數、電路設計、環境條件等；

2）建立模型：所需的參數主要包括器件的尺寸、引腳、工藝、材料、重量、位置、功耗，電路板的尺寸、板層信息、鍍通孔和過孔等信息；

3）應力分析：根據產品實際經受的環境條件，進行相應的熱應力分析和振動應力分析，得到產品的損傷值；

4）故障預計：對產品施加實際的環境剖面，根據失效物理模型進行應力損傷分析，進行蒙特卡洛仿真，得到產品的薄弱環節及相應的失效模式、失效機理和失效時間。

5.2 基于失效物理的可靠性仿真案例

利用Sherlock以計算機聯鎖關鍵板卡數字量輸出接口板為例，環境溫度分別為0℃、30℃和50℃時的熱分析結果如圖5所示，即各器件殼溫分布圖。熱應力分析的結果將作為失效物理模型的參數值，用于計算產品的故障時間。

圖5 各種環境溫度下輸出板器件殼溫分布Fig.5 Component shell temperature distribution of output board at various ambient temperatures

根據計算機聯鎖工作環境，設置不同環境溫度下輸出板的邊界條件。設置輸出板的預期壽命為20年，即失效時間小于20年的故障點為潛在故障。故障預計結果主要包括各器件失效模式、失效機理、MTTF以及蒙特卡洛分析結果，故障預計仿真分析結果如圖6所示。

圖6 輸出板故障預計結果矩陣Fig.6 Failure prediction result matrix of output board

通過該結果可以看出，器件U1，U2和C55的首次失效時間均小于20年，分別為7.94年，8.82年和16.6年。U1，U2和C55的故障模式均為焊點開裂，故障機理為熱疲勞，需從器件選型、封裝、布局等多個方面改進設計。

6 整機級環境應力仿真

6.1 整機級環境應力仿真分析流程

根據產品工作環境，應力類型可包括溫度應力、機械應力和電磁應力等。這些物理場的應力分布都是基于有限元模型進行仿真得到應力分布圖和場流分布圖等。根據整機設計方案，建立整機有限元模型，設置相應環境應力后進行應力分布和場流速度分布，如果仿真結果顯示不滿足要求條件，對設計方案進行優化并進行新一輪仿真，直至仿真結果滿足設計條件。

6.2 整機級熱應力仿真案例

長期溫度過高會嚴重影響電子設備的電氣特性[7]。以聯鎖機柜通風孔方案熱仿真對比為例，機柜頂部的通風孔考慮設置在中間位置和機柜頂部前端。利用Icepak軟件進行整機熱仿真，兩種方案的氣流方向狀態如圖7所示。對比發現將機柜頂部的通風孔前移到距離機柜前端，機柜內部氣流更通暢，通風散熱效果更佳，因此將聯鎖機柜頂部的通風孔前移到距離機柜前端20mm。

圖7 不同通風孔方案下聯鎖機柜的氣流分布Fig.7 Air flow distribution of interlocking cabinets with different ventilation hole schemes

6.3 整機級電磁應力仿真案例

利用HFSS仿真軟件對機籠進行電磁屏蔽效能仿真[8]。通過對聯鎖機籠進行電磁屏蔽效能仿真，得到機籠和板卡的電場分布如圖8所示。

圖8 計算機聯鎖機籠電磁屏蔽效能仿真結果Fig.8 Simulation results of electromagnetic shielding efficiency of computer based interlocking rack

根據仿真結果，從機籠中各電路板的電場分布情況可以看出部分區域受到電磁泄漏影響較嚴重。通過增加搭接深度或者采用凹凸形式優化機籠搭接處來減小機籠搭接細縫，適當減小機籠散熱孔徑等方法優化設計，經過新一輪仿真驗證有效提升了機籠電磁屏蔽效能。

7 結束語

隨著虛擬化技術、智能模擬仿真技術的發展，多維度可靠性仿真技術將越來越廣泛地引入信號系統產品開發中，通過仿真建立虛擬樣機進行系統集成和仿真驗證，可以提高開發質量、降低研發成本、縮短研發周期。本文介紹在硬件產品在原理圖設計、PCB設計，到產品板卡和整機設計階段成功運用的多維度可靠性仿真分析方法，并提供了豐富的仿真案例。結合多種仿真方法和工具，從電路設計、信號完整性、失效物理和整機環境應力仿真等多維度進行可靠性仿真分析，為硬件設計優化提供依據，切實提升了產品設計的可靠性和安全性。