如果你也考慮執行WCCA,這篇文章將深入探討需要哪些技能來正確執行WCCA,以及為什麼WCCA是需要在設計職責之外獨立進行的一項調查任務,並非只要簡單打勾的工作項目、也不能簡單交給任何一位工程師。而且,不能把這項任務交給菜鳥工程師當作訓練。

為什麼工程師會搞砸WCCA?

正確執行WCCA所需的技能各不相同,但每一個對結果都至關重要。在講授WCCA技巧時,我經常發現工程師們即使是第一次做,也都迫切地想自己搞定這個重要的分析。光是培訓一個新工程師就至少需要9個月到1年的時間;即便如此,在分析通過驗證和完成之前,還有多個層次的評估。雖然大家都知道WCCA非常重要,但通常將它視作防止產品缺陷、召回、危害和失敗的最後一道防線。

鑒於以上這些考慮,筆者彙整了一個WCCA問題清單,以幫助大家獲得期望的成功結果。無論是公司、專案經理,還是大多數工程師,大家都渴望快速修復他們的電路「漏洞」。然而,沒有合適的工具、技能和經驗,你的努力註定要失敗。WCCA就好比你第一次自己動手做家裡的水電修理工;你應該清楚,水電工的工作可不僅僅是去五金行買材料、在YouTube上看幾個示範視訊就可以做好的。

這一系列WCCA文章將幫助您避免一些WCCA誘惑,比如只想節省成本、請專業人士來支援此流程或執行分析,或者只想了解他們是怎麼做的。雖然WCCA應該由設計團隊以外的人來執行——無論是公司內部還是外部人員——你都應該瞭解WCCA的概念、陷阱和目標。

以下是WCCA系列文章將討論的五個主題:

  1. 獨立執行:為何WCCA是個挑戰?
  2. 不夠嚴謹的WCCA將讓你付出慘痛代價!
  3. 模型、模型、模型
  4. 蒙地卡羅(Monte Carlo)方法出錯了…
  5. 我的資料存在漏洞:測試資料和資料手冊問題
  6. 太多的逃避與偏見

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什麼是WCCA?

WWCA (worst-case circuit analysis)是對電路或系統的功能表現進行的定量評估,包括製造、環境、老化等方面,甚至包括航太應用的輻射容忍度。這與基於元件的分析——例如故障模式、影響和危害性分析(Failure mode, effects and criticality analysis,FMECA),以及平均故障間隔時間(MTBF)不同;所有這些分析在可靠性評估中都佔有一席之地,而且彼此在數學、模型和得出的結論之間也會存在重疊。

透過WCCA,你可以從許多方面計算電路性能,並評估計算出關鍵指標的風險和收益。WCCA檢查由於零組件潛在的巨大和未知變化而超出其初始標稱值,從而導致電子電路容差引起的影響;這些變化可能是製造、老化或環境影響的結果,這些都可能導致電路偏離其原有規範範圍。

WCCA還可以評估電路性能隨這些變化的數學敏感性,並提供統計和非統計方法來處理影響電路性能的變數。這些結果在協助提升產品品質方面非常有價值。圖1顯示了WCCA與各種基於器件的分析之間的交互關係。

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圖1:各種可靠性評估方法之間的關係對於生產可靠的產品至關重要,包括功能性WCCA評估,以及基於局部部件的壓力分析、FMECA和MTBF等。
(來源:EDN)

需要獨立執行

美國航太工程師的平均年齡是47歲,其任務無法委託外國人,至少某些學科領域。而包括最壞情況應力分析和減載(derating)分析,以及最壞功能性分析在內的各種分析,都需要許多不同的技能和豐富的經驗,我們將在WCCA系列文章中逐一介紹。

成功執行WCCA所需的技能和知識包括:

  • 瞭解電子設計及其功能性子模組的要求。
  • 深入相關電路應用的設計經驗,比如正確使用電源、放大器電路或微處理器介面等。
  • 瞭解零組件特性,它們的性能差別,以及相關的電路靈敏度。請參閱下面的規則示例。
  • 電路建模:能夠以適當的保真度為零組件和電路生成SPICE、IBIS和其他模擬模型;瞭解如何審查和調整供應商提供的模型(很少有足夠準確的),能夠利用一些好的模型的現有模型庫;能夠將模型與測試資料相關聯;最後,知道每個模型的容差。
  • 數學:能夠為電路編寫數學方程式。
  • 測試:能夠利用適當的設備分別在元件、功能模組和系統級進行收集和解釋測試資料;這一點將在稍後的文章中更深入地介紹。
  • 容差:瞭解容差累積;環境容忍度,老化容差的歷史資料庫;以及太空應用的輻射資料。
  • 工具:SPICE電路模擬器可以滿足大部分應用的要求,但可以對電路和PCB進行模擬的EM/諧波平衡模擬器(EM/harmonic balance simulator)——例如Keysight的ADS或Cadence的Sigrity——正變得越來越重要。數位分析工具也很重要,如現隸屬於Siemens的Mentor之Hyperlynx,當然還有Mathcad和Excel (圖2)。

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圖2:高效的電路分析需要一系列工具、經驗、資料和應用知識。
(來源:EDN)

因此,雖然很多運算方法的參數——比如極限值分析(EVA)、靈敏度和蒙地卡羅分析——是一樣的,但每種分析的範圍和焦點都不同,這取決於所分析的每個功能電路塊的特性。

關鍵性分析不應由初級工程師或承包商執行,他們沒有必備的經驗和工具來發現和解決問題;如果你想要正確的結果,就不要拿WCCA來訓練員工。

設計工程師不是分析師

設計工程師和分析師有不同的技能。身為一名設計工程師,你曾經走到你老闆的辦公室,說「來看我是怎麼把這個電路搞砸的」嗎?對設計工程師來說,考慮最壞情況是不正常的。在設計過程中做出的錯誤假設,通常會在分析過程中重複出現;無論你同不同意,設計師都會產生偏見,他們通常只是透過標稱(nominal)結果和統計上有限的歷史性能資料做出判斷。

然而,設計者在WCCA過程中扮演要角,包括需求支援、標稱模型的開發、標稱分析,各階段的測試,以及參與WCCA評審等。

有鑑於WCCA所需的多種技能,採取團隊協作的方法幾乎不可少的。WCCA分析應由獨立小組設立和執行——獨立可將「制衡」(checks and balances)置於分析之中。人員的選擇也是一個因素,讓一位新進工程師與一位經驗豐富的老手一起工作是一回事,但僅由資深工程師完成審查是不夠的,WCCA必須由經驗豐富的人員執行,無論是公司內部人員還是外部專家。

WCCA實例:靈敏度分析

圖3展示了一個線性穩壓器電路。下面的方程式表示該線性穩壓器電路輸出電壓調節的靈敏度(sensitivity)計算公式。首先,在這個穩壓器的案例中,定義輸出函數的方程已經寫出(VOUT…),然後採用這些導數來計算每個相關部分參數相對於輸出函數的靈敏度。靈敏度乘以各個分量的容差,然後相加以產生最差的結果(最小-最大電壓調節範圍)。靈敏度分析功能很強大,因為它可以告訴你什麼是重要的。

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圖3:線性穩壓器電路提供了出色的靈敏度分析示範──這是功能最強大的WCCA方法之一。
(來源:EDN)

那麼,您怎麼知道哪些參數是相關的,並且需要包含在基本的方程式中?這就要靠經驗了。

2.5V輸出調節電壓: EDNT180821_WCCAchallenging_NT01P5

標稱2.5V輸出調節電壓: EDNT180821_WCCAchallenging_NT01P6

+2.5VDC電壓調節VOUT的偏導數: EDNT180821_WCCAchallenging_NT01P7

VOUT相對於分量參數的偏導數如下所示。

+2.5VDC輸出調節靈敏度: EDNT180821_WCCAchallenging_NT01P8

單位是每元件單位伏特數(例如電阻器為V/Ω)。

靈敏度大小告訴你哪個參數對輸出函數影響最大,在以上範例是調節電壓項。靈敏度的符號也很重要,因為它能告訴我們當參數改變時輸出變化的方向;如果您想購買更好的元件以提高性能或修正不合規情況(比如要求更嚴格的容差),則可以透過靈敏度分析來重新計算最壞情況的結果。反之如果不想多花錢,仍可以透過靈敏度分析來評估極限何在。

(參考原文:Why worst-case circuit analysis is challenging to perform,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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