2017年,我曾經為一家汽車廠商的工程師們培訓最壞情況電路分析(worst-case circuit analysis,WCCA);在向學員們展示我們針對汽車模組開發的WCCA樣品時,台下開始有嘀咕聲;我問是怎麼回事,一個學員大聲回答:「我們沒時間搞這個!」

WCCA已經成為汽車領域的一個重要話題,ISO 26262標準、汽車內電子比重飛速成長,以及車廠本身的公司守則規範等因素,都迫使人們重視WCCA議題。航太產業的當前趨勢則描繪了一個完全不同的畫面:高成本專案數量正在減少,低成本、期間較短的任務則普遍存在,於是專案經理也在叫:「我們就是沒有預算!」

顯然汽車和航太產業有不同的侷限,但兩者都可能因為分析工作不到位而導致意外事故;而這兩個產業的廠商都未能看到的是,做好分析才會是他們的省錢之道。在後續的文章中,我將探討與測試和測試資料相關的問題和缺點;但可以肯定的是,測試並非便宜、簡單或能快速搞定的事,當然也不能免除產品停產(EOL)的相關問題。

透過有針對性(targeted)和優先順序(prioritized)的分析,可以解決測試無法解決的問題;這可以讓你以設計為中心來發現問題並增加收益,並可以避免將時間和金錢浪費在電路板上。這裡的關鍵要點是,無論你選擇分析什麼,都必須嚴格執行、確保合適的分析準確性,否則你可能會因為虛假結果而浪費寶貴的金錢和時間。

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WCCA總是面臨著降低成本、提高品質和縮短交貨期的壓力。
(來源:EDN)

充分檢視WCCA,你會發現頭號問題就是缺乏嚴謹度(rigor)。

不同的產業有不同的分析(檢核表)和建檔標準。如人們所認為的,航太產業最嚴格,但汽車產業的WCCA建檔標準則寬鬆得多;但由於ISO 26262等標準要求更多且更具體的分析,汽車產業已經在這方面有重大的進展,特別是在EMC和ESD要求方面。

與航太應用不同的是,WCCA已經成為汽車電子模組的標準作法;你可能會驚訝地發現,汽車WCCA中使用的公差(tolerances)比航太採用的公差要嚴格得多。

前面提到的嚴謹度缺乏問題,會以多種形式呈現:

1. 未能「層層分析」;例如:

  • 在執行完整的WCCA方面,沒有以EOL極端情況下的所有適用公差深入挖掘。
  • 沒有驗證關鍵假設和模擬模型。
  • 跳過簡單的電路,沒有查看所有應該檢查的地方。
  • 沒有涵蓋所有可能的運作條件。
  • 忽略可能影響分析結果的次級、三級,未能達到足夠的精確度。

2. 沒有執行關鍵分析

除了上述的失誤,所進行的分析通常只是在合理的程度上進行,但正是這些因為「跳過」(「投機取巧」的委婉說法)而被完全忽略的分析,潛伏著許多不合規之處;關於這一點我們將會在後續的文章中討論。下圖是一些常用功能區塊的檢核表(checklist);由於偏差、無知或「可接受」標稱測試資料,它們通常被忽略、被錯誤安排優先順序,或被視為無關緊要。

如果設計工程師不瞭解設計的性能要求或驅動因素,這些問題可能無法在WCCA中得到解決;例如,沒有分析控制回路的穩定性,因為該元件沒有回饋接取來繪製波德圖(Bode plot)。其他例子還包括執行「衍生需求」(derived requirement)分析,例如FET閘極驅動、FET安全操作區(SOA)、BJT最小hFE、洩漏和基極驅動(base drive),或運算放大器穩定性,因為它們被認為「太簡單」。此外,沒有進行傳統電路的分析,但某些零件、公差和運作條件發生變化也會導致潛在問題。

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AEi Systems的開關電源(汽車應用)分析檢核表(部分)。透過模擬測試計畫和故障條件,其他EMC、ESD和電池故障分析也添加進來了;除了壓力和減載(derating),即使是粗略事項也是重要的數學和模擬工作,動輒花費數百小時。線性穩壓器、POL和參考電路都有各自的清單。
(來源:EDN)

最佳作法始終要從一個全面性的任務清單開始,然後根據工程問題、電路評估、可用的測試資料、傳統電路、任務/產品要求,以及最終的預算和進度,確定分析的優先順序,然後一項一項完成。如前面所提,分析項目不應該交由設計工程師決定,這一點我們將在下一篇文章中詳細探討。

WCCA應與故障模式、影響和危害性分析(Failure mode, effects and criticality analysis,FMECA)的結果相關聯;針對某些電路,若其嚴重故障被確定為是至關緊要或很可能發生時,就應執行WCCA和最壞情況應力分析(stress analysis)。

3. 沒有進行足夠詳細的應力和減載分析

在許多情況下,並非所有應該檢查和減載的元件參數有被檢查到(有關減載和需要評估的元件參數,請參閱SMC-S010、Mil-Handbook-1547,或類似的IPC-9592等標準文件)。 沒有採用EOL公差執行真實的最壞情況應力分析,以及所有三種應力評估(穩態DC、開關和暫態上電/斷電/故障)。

4. 在EOL公差指標方面不夠用心

我們經常看到EOL公差只包括因時間造成的老化,但這還不夠,EOL公差還應包括環境(environmental)和各種製造性(manufacturing)公差(如下表),以及衝擊(shock)、濕度(humidity)和振動(vibration)等。

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MIL-PRF-55342電阻器的環境測試。
(來源:Vishay)

例如,對於55342電阻器,其使用壽命為10萬小時(約10年);時間老化公差應該至少為1.25%。而美國空軍司令部SMC-S-010指南規定,總EOL公差達到2%的電阻器才能使用。由於零組件品質的提高,SMC-S-010取代了Mil-HdBk-1547規範,後者推薦使用的EOL公差為4%。

在任何情況下,記住要執行的分析是「最壞情況」,雖然對於某些應用可以對公差進行平方和求根,但將它們降低到不切實際的水準或將它們完全排除在外都是不可接受的。處理公差資料的差距將在以後的文章中探討。

5. 建檔不夠用心

建檔(documentation)是WCCA最重要的一個部分;詳細的建檔對於審核過程至關重要,這是取得良好投資報酬的關鍵,針對假設條件(assumptions)的建檔尤是——因為假設條件總有很多。歸檔文件的編寫應該不只要能方便審閱者對分析進行評估,也要讓設計人員容易理解分析,而無需與最初的分析者溝通。

透過這種方式,建檔成為合規電路的發展藍圖,就算未合規,也會視更佳產品的發展藍圖。為了使分析具有更長的使用期限,並在未來的產品修訂中發揮作用,歸檔文件絕不草率了事,必須具備以下要素:

  • 分析範圍包括運作條件、輸入刺激(input stimulus)和輸出負載。
  • 功能性電路描述。
  • 模型描述、清單和測試相關性。
  • 解釋哪些要求需要評估以及使用了哪些分析方法。
  • 假設——從審核者的角度考慮他們可能想問、但你卻認為是理所當然的問題。
  • 分析“故事”(STORY)——講故事是至關重要的,不僅要提供一些數學或SPICE模擬,而且要向審核者提供一個相當詳細的說明,包括運算內容、運算方式以及你的發現。
  • 結論(結果、利潤、風險)和建議。

雖然預算始終是個問題,但不應因此讓分析的嚴謹度打折扣。如果分析是值得的,就要正確地進行分析;情願少做一些分析,也不要對重要的分析偷工減料。

(參考原文:WCCA: Lack of rigor will cost you,by Charles Hymowitz;本文作者為具備三十年產業經驗的技術專家)

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