電子電路中偶發(fā)故障的成因與探查方法

批量生產(chǎn)的電子產(chǎn)品在投入市場(chǎng)應(yīng)用后，常會(huì)有個(gè)別出現(xiàn)一些偶發(fā)故障，退回到廠家實(shí)驗(yàn)室后，施加各種應(yīng)力進(jìn)行故障激發(fā)試驗(yàn)，卻又不能故障再現(xiàn)；還有一種情況是研制的有限臺(tái)數(shù)樣機(jī)產(chǎn)品，長(zhǎng)時(shí)間拷機(jī)運(yùn)行中，個(gè)別臺(tái)次有很低概率的偶發(fā)故障，或者可自行恢復(fù)，或者經(jīng)過(guò)人工重啟后也能恢復(fù)，但人為施加各種應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，卻不能再現(xiàn)?；蛘呒词构收显佻F(xiàn)了，卻需要超常規(guī)高應(yīng)力的激發(fā)，在現(xiàn)實(shí)工況中，這種應(yīng)力又根本不會(huì)存在，這樣的實(shí)驗(yàn)方法即使有故障再現(xiàn)，也缺乏技術(shù)支持的說(shuō)服力。

在生產(chǎn)檢驗(yàn)階段，批量較大的產(chǎn)品，限于制程過(guò)程成本，不太可能做到逐臺(tái)的全性能檢驗(yàn)，只能采用抽樣的方式，抽取少量的樣機(jī)進(jìn)行全性能參數(shù)的測(cè)試（大多數(shù)機(jī)器做主要參數(shù)測(cè)試即可），然后將抽樣樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)性能指標(biāo)對(duì)比，如果都在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，則批次性放行。但是這種貌似合理的方法里，卻蘊(yùn)藏著一個(gè)大隱患，就是小概率隱患的機(jī)器抽樣時(shí)抽不到的問(wèn)題。

如何確認(rèn)單臺(tái)產(chǎn)品工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，以及多臺(tái)產(chǎn)品批次生產(chǎn)質(zhì)量控制的一致性這兩個(gè)問(wèn)題呢？這兩項(xiàng)是產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的核心問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題的成因、機(jī)理、檢測(cè)方法，是本文研究的主題。

1 方法描述

下面用類比的方法來(lái)解釋偶發(fā)故障問(wèn)題的機(jī)理。假設(shè)1 個(gè)班級(jí)，有50 個(gè)孩子，兩周后要去市里參加統(tǒng)考，如果100% 的孩子統(tǒng)考都及格則重獎(jiǎng)老師。作為老師，一般會(huì)先出1 套模擬試卷做摸底測(cè)驗(yàn)，如果摸底的結(jié)果是50 個(gè)孩子都及格，那兩周后的市統(tǒng)考是不是也一定能保證100% 及格呢？答案自然是不能肯定的。雖然都及格了，但50 個(gè)孩子的分?jǐn)?shù)從60~100 分都有，按照常識(shí)判斷，60~65 分的孩子統(tǒng)考不及格的風(fēng)險(xiǎn)概率就會(huì)大一些?？墒沁@幾個(gè)孩子就一定會(huì)不及格嗎？答案是也不一定。

每個(gè)孩子的實(shí)際水平會(huì)是一個(gè)基數(shù)，考試的次數(shù)足夠多，其分?jǐn)?shù)就會(huì)圍繞這個(gè)基數(shù)波動(dòng)，這個(gè)基數(shù)就是多次考試結(jié)果的均值μ，用（圖1）來(lái)解釋，A 孩子多次考試的均值μ_a = 64，B 孩子的均值為μ_b = 72，當(dāng)A 某次考試的種種隨機(jī)原因影響，則有一定的小概率跌到60分以下；而B(niǎo) 因?yàn)閷?shí)際水平均值在72 分，即使發(fā)生一些隨機(jī)因素影響，即便考砸的后果也能在65 分以上。

圖1

A 和B 這兩類不及格的原因會(huì)有所區(qū)別，A 會(huì)因?yàn)槌煽?jī)均值水平偏低（μ_a = 64）和隨機(jī)概率事件（如題型變化、心理變化等）引起的波動(dòng)導(dǎo)致小概率性不及格；B 則基本不太會(huì)因?yàn)槌Ｒ?guī)隨機(jī)小概率事件影響導(dǎo)致不及格，但它有另一種隱患，就是可能會(huì)因?yàn)榘l(fā)生大的特定意外（如發(fā)燒、牙疼、情感受挫等）而不及格。

因此，為了確保參加市統(tǒng)考的50 個(gè)孩子都能及格，就可以針對(duì)可能不及格的因素，針對(duì)性地做好預(yù)防，對(duì)A 類孩子強(qiáng)化補(bǔ)課，補(bǔ)課把分?jǐn)?shù)都提高到80 分以上；對(duì)B 類孩子呵護(hù)有加，防止考前發(fā)生大的意外，比如封閉管理，清淡飲食，禁止激烈對(duì)抗性運(yùn)動(dòng)等。做好這兩點(diǎn)，隨機(jī)小事件不至于導(dǎo)致不及格，個(gè)別大意外不會(huì)發(fā)生或者即使發(fā)生也不讓它影響到考試，批量統(tǒng)考不及格問(wèn)題便迎刃而解。

依據(jù)如上道理，做類比分析，1 臺(tái)產(chǎn)品里，假設(shè)有50 個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)類比于1 個(gè)孩子的成績(jī)，參數(shù)的類型有電壓、電流、溫度、扭矩、流量、壓力等，每個(gè)參數(shù)在工作中多少總有點(diǎn)波動(dòng)，但設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上對(duì)這些波動(dòng)也會(huì)有一定的容忍度，這個(gè)容忍度的邊界便是及格線60 分。在廠區(qū)里拷機(jī)的時(shí)候設(shè)備一切正常，可以理解成摸底考試的每個(gè)參數(shù)都在60 分以上。

但到了客戶現(xiàn)場(chǎng)后，工況條件有所變化，這些參數(shù)工作時(shí)會(huì)有所波動(dòng)，原來(lái)在廠區(qū)A 類的參數(shù)（類比A類的孩子）因現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)工況導(dǎo)致波動(dòng)偶發(fā)偏大，參數(shù)低于60 分臨界值的小概率偶發(fā)故障就可能發(fā)生了。隨機(jī)事件在現(xiàn)場(chǎng)是不可消除的，解決方法是提高A 類孩子的均值分?jǐn)?shù)，即使有隨機(jī)事件減分的影響，也不至于低于及格線，便可降低整機(jī)的故障概率了。

而遠(yuǎn)離臨界值余量比較大的B 類參數(shù)（類比為B類的孩子），常規(guī)的一般性波動(dòng)，不會(huì)造成小概率的偶發(fā)故障，但有可能因?yàn)橥话l(fā)大事件工況導(dǎo)致B 類參數(shù)也會(huì)超出臨界值，如電機(jī)的突然啟停、突然的沖擊振動(dòng)等。解決方法是抑制大事件的幅度、處理大事件耦合過(guò)來(lái)的影響程度、提高受擾部分的抗擾能力，便可降低B 類問(wèn)題的故障概率。

理解了如上的原理，針對(duì)偶發(fā)故障的探查方法就可以得出如下幾條思路：

1）對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的偶發(fā)故障，故障機(jī)器返廠回實(shí)驗(yàn)室后，不必再把故障復(fù)現(xiàn)作為首選工作方案，因?yàn)檫@種小概率偶發(fā)故障有可能根本復(fù)現(xiàn)不了，就好像A類的孩子，摸底考三五份試卷，不一定肯定會(huì)低于60 分，考上千份試卷或許可能有一兩次不及格，但時(shí)間成本、試驗(yàn)費(fèi)用，又不能接受。

2）根據(jù)故障現(xiàn)象，分析可能導(dǎo)致此問(wèn)題的被懷疑參數(shù)；

3）查出每個(gè)被懷疑參數(shù)的臨界值（電學(xué)參數(shù)可查閱信號(hào)接收入口端的電壓或電流容限^[1]）；

4）若故障機(jī)器不方便返廠，甚至可以找1 臺(tái)跟故障機(jī)器在設(shè)計(jì)方案、器件型號(hào)和廠家、工藝幾方面完全相同的機(jī)器，對(duì)被懷疑的問(wèn)題參數(shù)（數(shù)據(jù)或波形）進(jìn)行測(cè)量；

5）將測(cè)試結(jié)果與臨界值（類比于60 分及格線）做對(duì)比，評(píng)估出其大概分?jǐn)?shù)，定性分析看是否在臨界值以上的余量是否夠大；

6）對(duì)測(cè)量出的在常態(tài)工作下參數(shù)分值都高出60 分余量不多的參數(shù)，進(jìn)行專項(xiàng)整改，提高其常態(tài)均值。然后做批量驗(yàn)證，如果偶發(fā)小概率故障不再出現(xiàn)的話，整改方案則可評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)。完美避開(kāi)故障再現(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)的難題。這個(gè)做法類比對(duì)應(yīng)針對(duì)A 類孩子的做法；

7）檢查產(chǎn)品中的功能模塊、以及產(chǎn)品周邊配套的設(shè)備，是否有瞬態(tài)啟停的大功率工況。搭建模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，人為制造這種工況，在相應(yīng)工況下，測(cè)試余量較大的被懷疑相關(guān)參數(shù)，檢查波動(dòng)時(shí)是否有低于或接近于臨界值的情況，如果有，則針對(duì)這種工況下的參數(shù)進(jìn)行整改，整改后，做單臺(tái)測(cè)試，模擬干擾工況下，該參數(shù)波動(dòng)值都能遠(yuǎn)離臨界值，整改方案則可評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)。這個(gè)做法類比針對(duì)B 類孩子的做法。

2 量化分析

通過(guò)對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，判斷偶發(fā)故障是否由該參數(shù)引起，僅靠定性判斷既缺乏說(shuō)服力，也讓技術(shù)決策比較困難。因此需要有定量的分析方法。以信號(hào)電壓參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致出現(xiàn)偶發(fā)故障示例來(lái)說(shuō)明量化分析的步驟，以便據(jù)此判斷是否由此參數(shù)導(dǎo)致的偶發(fā)故障、也可根據(jù)分析結(jié)果預(yù)測(cè)實(shí)際產(chǎn)品的偶發(fā)故障概率值。

1）首先測(cè)試該波形，然后隨機(jī)取樣，取樣值數(shù)量應(yīng)具備統(tǒng)計(jì)參考價(jià)值，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)參考價(jià)值和實(shí)際操作的時(shí)間和人力成本綜合決定，推薦適當(dāng)多取一點(diǎn)，也可根據(jù)統(tǒng)計(jì)采樣樣本量的計(jì)算公式來(lái)^[2]，按照顯著性水平5%，置信水平95%，計(jì)算得出適用的樣本數(shù)量。

2）取樣后，計(jì)算電壓值的均值μ 和標(biāo)準(zhǔn)差σ；

3）計(jì)算電路參數(shù)，確認(rèn)電路對(duì)該輸入電壓要求的臨界值V_max、V_min 的具體值，這個(gè)值要結(jié)合具體電路確定，如5 V CMOS 數(shù)字芯片，輸入信號(hào)管腳的高電平臨界判定電壓一般為0.7×V_cc=3.5 V，常規(guī)標(biāo)稱值為4.9~5 V，最大允許值為V_cc+0.5 V，意指該管腳允許輸入的電壓應(yīng)該在（3.5 V，5.5 V）之間，超出這個(gè)區(qū)間，則有可能損壞或者電平信號(hào)出錯(cuò)；

4）對(duì)比計(jì)算參數(shù)和電壓臨界值參數(shù)，如3）中示例，至少需要滿足如下條件：

5）如果不滿足4）的條件，則需對(duì)該電路的紋波進(jìn)行整改，反復(fù)迭代，最終滿足要求。計(jì)算的過(guò)程可以借助EXCEL 或者統(tǒng)計(jì)分析軟件的強(qiáng)大計(jì)算功能來(lái)完成，以節(jié)省人力。

6）根據(jù)2）計(jì)算出的均值μ 和標(biāo)準(zhǔn)差σ 的結(jié)果，在不整改的情況下，看臨界值在統(tǒng)計(jì)分布中的位置，利用正態(tài)分布的計(jì)算方法^[3]，可以計(jì)算出超出臨界值的發(fā)生概率，由此推斷出現(xiàn)場(chǎng)工況下的偶發(fā)故障概率。

3 案例應(yīng)用

某產(chǎn)品電源電壓紋波大，是偶發(fā)故障的疑似根源，波形如圖2。

圖2

圖2 為5 V 的電源紋波波形圖（該圖為交流耦合測(cè)試結(jié)果），通過(guò)功能分析，產(chǎn)品偶發(fā)故障疑似與此電源的波動(dòng)相關(guān)，于是測(cè)試該波形。結(jié)合電路分析，導(dǎo)致偶發(fā)故障的是下降的尖峰電壓，因?yàn)樾盘?hào)電壓直接跟隨電源電壓而波動(dòng)，本應(yīng)該輸出高電平信號(hào)，卻因?yàn)橄聸_的電源電壓導(dǎo)致輸出端的高電平電壓低，發(fā)送到接收端時(shí)可能識(shí)別不出來(lái)。以紋波電壓為研究對(duì)象，按照本文第三章的方法進(jìn)行測(cè)試分析。

1）以下沖的尖峰為研究對(duì)象，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，這些突出的尖峰一般是開(kāi)關(guān)電源的MOSFET 開(kāi)和關(guān)瞬間形成的，預(yù)估定義下沖200 mV 以內(nèi)的波動(dòng)為電路的隨機(jī)事件引發(fā)，超出200 mV 的為開(kāi)、關(guān)瞬態(tài)導(dǎo)致，而開(kāi)關(guān)瞬態(tài)形成的尖峰組事件也符合隨機(jī)事件的特征，以時(shí)間軸為抽樣點(diǎn)，連續(xù)抽取下沖超出200 mV 的每個(gè)尖峰的電壓值，并記錄采樣數(shù)據(jù)1 000 個(gè)。

2）計(jì)算該下沖電壓的均值μ 和標(biāo)準(zhǔn)差σ（因?yàn)槭窍陆惦妷海陀诨€電壓，因此是個(gè)負(fù)數(shù)）；

3）計(jì)算電路參數(shù)，確認(rèn)對(duì)電源Vcc 要求的低電平臨界值V_cc min；

4）對(duì)比計(jì)算參數(shù)和Vcc 臨界值參數(shù)，應(yīng)滿足如下條件（由本節(jié)2）中可知，此公式中μ、σ 均為負(fù)值）：

5）若不滿足4）的條件，則需對(duì)紋波進(jìn)行整改抑制。

反復(fù)整改迭代直到滿足的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)起來(lái)，本文的核心描述了偶發(fā)故障的兩個(gè)成因和解決方法，總結(jié)如下：

1）超出臨界值余量不多的參數(shù)，即在及格線以上附近波動(dòng)的參數(shù)是偶發(fā)故障的根源之一，這里命名為“60分原理”，針對(duì)這類參數(shù)進(jìn)行整改提升，使參數(shù)值達(dá)到80，甚至90 分以上即可。這樣，可以繞開(kāi)故障再現(xiàn)的難題，在隱患產(chǎn)品正常工作的情況下，卻可以定位到問(wèn)題點(diǎn)、找到解決問(wèn)題的目標(biāo)對(duì)象和措施。量化值判斷的方法和故障概率的評(píng)估可運(yùn)用正態(tài)分布的原理和計(jì)算方法作為指導(dǎo)。

2）另一種引起偶發(fā)故障的根源是產(chǎn)品內(nèi)大功率模塊、以及周邊配套的大功率設(shè)備，在瞬態(tài)啟停的工況下，將本來(lái)余量足夠大、隨機(jī)干擾根本不足以導(dǎo)致其故障的參數(shù)，給影響到了超出限制引起故障的地步。這部分的具體實(shí)驗(yàn)方法和機(jī)理比較易于理解，因此在本文中未做重點(diǎn)展開(kāi)和案例說(shuō)明，但它仍是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的點(diǎn)和解決思路。

參考文獻(xiàn):

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）