Краткие сведения из теории

Используя метод граничных испытаний, возможно уже в процессе разработки ЭМС выбрать оптимальные варианты схемы, параметры их элементов и режимов. Граничные испытания являются экспериментальным методом, основанном на физическом моделировании области значений первичных параметров, при которых выходные параметры устройства находятся в пределах допуска.

Проведение граничных испытаний содержит ряд этапов:

1. Определение критериев отказов ЭМС исходя из условий работы и в соответствии с техническим заданием.

2. Определение границ работоспособности и надежности ЭМС, выполненной из элементов с номинальными параметрами, в зависимости от изменений напряжения питания, внешних условий, параметров входных сигналов.

3. Определение границ работоспособности и надежности ЭМС, работающей в нормальных условиях (номинальные напряжения питания, параметры входных сигналов и внешние условия), в зависимости от разброса параметров элементов ЭМС.

Для осуществления граничных испытаний возникает необходимость имитации изменений параметров различных схемных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, активных элементов), влияющих на работоспособность ЭМС. Наиболее часто в качестве граничного параметра выбирают одно из питающих напряжений (определяющий параметр граничного испытания), которое используется для имитации изменений параметров элементов схемы (например, резисторов).

Изменение параметров конденсаторов и индуктивностей имитируют последовательно-параллельным включением этих элементов. Имитация изменения прямого и обратного тока полупроводниковых приборов осуществляется последовательным или параллельным включением в схему дополнительных резисторов соответствующих номиналов.

Наибольшую сложность представляет имитация изменений параметров активных элементов, так как они характеризуются сложной совокупность параметров. Как правило, подбирают группу элементов с одинаковыми параметрами за исключением одного элемента, параметры которого поменяются в нужном направлении.

Рассмотрим определение границ исправной работы ЭМС. Входные параметры устройства (x_j), отклоняющиеся от номинальных значений по различным причинам, вызывают изменение выходных параметров (y_j), которое может привести к отказу всего устройства. Итак, метод граничных испытаний представляет собой имитацию изменения входных параметров устройства, с помощью которой можно выявить влияние каждого из параметров x_j на выходные параметры y_j и сравнить возникающие изменения параметров y_j с допустимыми пределами. Для каждого из выходных параметров можно записать:

) (1.1)

(1.2)

Равенство (1.2) является необходимым условием безотказной работы изделия, имеющего m выходных n выходных параметров. Для граничных значений выходного параметра уравнения (1.1) имеют вид:

(1.3)

Уравнения (1.3) описывают криволинейные поверхности в n-мерном пространстве входных параметров. Область, ограниченная поверхностями (1.3), в которой выполняются неравенства (1.2), называется областью безотказной работы (ОБР) по выходному параметру y_j. Если число выходных параметров m, то число граничных поверхностей k будет:

(1.4)

Область, ограниченная всеми k поверхностями, является областью безотказной работы устройства по всем параметрам. Эта область может быть замкнутой и не замкнутой.

Состояние входных параметров x_j характеризует положение рабочей точки (Р). Номинальная рабочая точки (Р_ном.) характеризуется номинальными входными параметрами (x_{j ном.}). Отказ изделия наступает тогда, когда рабочая точка выходит за пределы ОБР. Т.к. входные параметры должны удовлетворять условию:

, (1.5)

то геометрическое место всех возможных рабочих точек образует рабочую область (РО), ограниченную плоскостями:

x_{j min}=const

, (j = 1,2,…n) (1.6)

x_{j max}=const

 

Таким образом, РО представляет собой n-мерный параллелепипед. РО не должна выходить за пределы ОБР, так как в противном случае появляется некоторая вероятность отказа.

Метод граничных испытаний позволяет оценить взаимные расположения ОБР и РО. Для наглядности испытания проводят таким образом, чтобы в результате их получить сечения ОБР и РО плоскостями, параллельными координатам (рис. 1.1). С этой целью отбирают входные параметры, в наибольшей степени влияющие на выходные и производят квантование их рабочих диапазонов.

Рис. 1.1. Определение области безотказной работы (ОБР) и рабочей области (РО) при граничных испытаниях

 

Так как выходные параметры электронных изделий существенно зависят от стабильности источников электропитания, то напряжение источника Е обычно выбирают в качестве характеристического параметра. Все сечения ОБР строят так, чтобы характеристический параметр был нанесен на оси абсцисс.

В процессе испытаний все входные параметры группируются попарно с характеристическими, а затем для каждой пары производят дискретное изменение с заданным уровнем квантования для одного из параметров и плавное для другого с тем, чтобы зафиксировать граничные точки ОБР, в которых неравенство (1.2) нарушается. Таким образом, формируется (n–1) пара, и поэтому граничные испытания содержат (n–1) отдельных испытаний и позволяют получить (n–1) сечений ОБР. Сечение ОБР строят в координатах x_j; x_k соответствующих паре изменяемых параметров.

Положение сечения определяется значениями неизменяемых в данном опыте параметров, величены которых должны соответствовать Р_ном..

Построив проекции ОБР и РО для всех сечений х_j и U, находят рабочую точку Р, довольно близкую к Р_ном.

При известных законах распределения всех входных параметров можно определить вероятность выхода рабочей точки за пределы ОБР.