宋月麗，劉立軍（遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東，118009）

基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計分析

宋月麗，劉立軍
（遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東，118009）

隨著現(xiàn)代教育改革的深化推進(jìn)，社會對于人才的需求更強調(diào)實踐性，這給《數(shù)字電子技術(shù)》課程的發(fā)展提出了新的發(fā)展要求，其內(nèi)含的電路設(shè)計是課改的關(guān)鍵，針對此，本文將以新課內(nèi)容及教學(xué)實踐需求為研究基點，利用可靠性仿真技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計，由此在電路制作之前將通過仿真軟件將電路結(jié)構(gòu)及元器件參數(shù)調(diào)整至最佳狀態(tài)，以為實踐教學(xué)提供有效支撐。

可靠性仿真技術(shù)；課改要求；任務(wù)驅(qū)動；電路設(shè)計

1 基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計需求分析

基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計主要是以虛擬儀器設(shè)備替代現(xiàn)實電子元器件，從而為電子電路的實踐教學(xué)提供有效支撐，從而更好了踐行“理實一體化”的教學(xué)理念，促進(jìn)學(xué)生實踐技能的提升，促使課程回歸教學(xué)的本質(zhì)。

1.1 實踐性教學(xué)開展的內(nèi)在需求

基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計，學(xué)生可以參與擬訂設(shè)計方案、仿真模擬等環(huán)節(jié)，從電路的設(shè)計方案、仿真模擬等環(huán)節(jié)，能夠?qū)⒒逎y懂的理論知識與實踐知識相結(jié)合，幫助學(xué)生提升實踐技能。

1.2 實現(xiàn)層次化和差異化教學(xué)的必然選擇

關(guān)涉電路設(shè)計的技術(shù)型教學(xué)內(nèi)容涉及的元器件較為繁雜，且不同元器件性能、參數(shù)、封裝形式、價格、功耗等存在較大區(qū)別，在教學(xué)過程中需要反復(fù)的實驗、測試，這增加了設(shè)備投資成本，而且因為學(xué)生個性化差異，學(xué)習(xí)、接受能力各不相同，加之電子元器件復(fù)雜程度的不同，應(yīng)該據(jù)此分層次設(shè)定目標(biāo)，以貼近生活、學(xué)生所喜愛的教學(xué)內(nèi)容，以“任務(wù)驅(qū)動”的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入知識和技能的學(xué)習(xí)，但這勢必增加電子元器件的投入，而仿真模擬電路的設(shè)計可以利用仿真軟件呈現(xiàn)電子電路的操作面板和功能，并通過交互式操作完成相應(yīng)測試任務(wù)，不僅滿足了教學(xué)需求，而且控制了教學(xué)成本。

2 基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計方案

2.1 電路設(shè)計的整體流程

可靠性仿真技術(shù)可以檢驗電路存在的故障并發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對性的進(jìn)行改進(jìn)，為了遵循由簡入繁的原則，以有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性，本文以典型電路電源模塊設(shè)計為例，設(shè)計過程中首先應(yīng)該進(jìn)行可靠性仿真實驗，其具體的流程如圖1所示。

圖1 基于電路設(shè)計的流程

2.2 電路設(shè)計的具體步驟

2.2.1 設(shè)計信息采集

為了實現(xiàn)電源電路的優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)詳細(xì)搜集其應(yīng)用環(huán)境和使用方法等信息，具體包含所采用的元器件、原材料特性（技術(shù)指標(biāo)、尺寸、裝量及封裝形式）及數(shù)量。

2.2.2 數(shù)字樣機建模

電路設(shè)計中數(shù)字樣機建模須采用專業(yè)軟件實現(xiàn)，但因為學(xué)生學(xué)習(xí)、接受能力存在差異，應(yīng)該目標(biāo)層次，將設(shè)計過程進(jìn)行分解，并以“任務(wù)驅(qū)動”的形式，將不同設(shè)計知識分配到各個任務(wù)之中，讓學(xué)生通過分步設(shè)計完成理論知識的實踐應(yīng)用，由此才能確保電路設(shè)計學(xué)習(xí)的效果，通常存在熱設(shè)計信息和振動設(shè)計信息兩類建模方式，具體的建模步驟為：

首先根據(jù)將所獲取的電路信息進(jìn)行簡化，完成CAD數(shù)字樣機模型的構(gòu)建，并依據(jù)熱設(shè)計信息建立CFD數(shù)字樣機模型，而后依據(jù)振動設(shè)計信息建立FEA數(shù)字樣機模型。

其次，為確保CFD數(shù)字樣機與物理樣機的一致性，須對其進(jìn)行修正與驗證，利用對電源模塊工作狀態(tài)熱測量的方式，獲取其關(guān)鍵元器件點溫度測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)所得結(jié)果修正電源模塊CFD數(shù)字樣機的邊界條件、期間參數(shù)，由此實現(xiàn)對CFD數(shù)字樣機的修正。

再次，同理，也須采用相同的方法對FED數(shù)字樣機進(jìn)行修正，且測試過程中，應(yīng)該在約束條件下對電源模塊重點部位，關(guān)鍵元器件進(jìn)行模態(tài)分析，并依據(jù)結(jié)果完成修正。

2.2.3 應(yīng)力分析

溫度應(yīng)力分析選用Mentor Graphics 公司的FloTherMV90分析計算電源模塊CFD數(shù)字樣機模型，經(jīng)過分析可知，電源模塊設(shè)計中如元器件排布不合理，則會導(dǎo)致電路設(shè)計存在熱分布過度集中的缺陷。分析中，平臺環(huán)境溫度70℃設(shè)定為第一參考溫度條件，電源模塊表層軍溫度72℃設(shè)為第二參考溫度條件，經(jīng)過分析，為電源模塊所在分級提供5V工作電源的功率器區(qū)域，是熱分布較集中的部位，需要修正電路設(shè)計方案。而對于振動應(yīng)力分析，則選用ANSYS公司的ANSYS Workbench12.1分析計算電源模塊FEA數(shù)字樣機模型，分析結(jié)果顯示，電源模塊中元器件數(shù)量和重量排布、安裝方式設(shè)計不合理，使得電源模塊產(chǎn)生局部共振的設(shè)計問題，應(yīng)該據(jù)此進(jìn)行及時修正，以優(yōu)化電路設(shè)計。

3 結(jié)束語

本文將可靠性仿真技術(shù)引入電路設(shè)計之中，將電路細(xì)化分類，并根據(jù)學(xué)生個體差異由簡入繁、逐步引導(dǎo)，實現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)的分層實現(xiàn)，也將培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能真正落實到實處。

[1]王朝新,任斌,陳潔,董緒. 基于虛擬實驗平臺的模擬電子技術(shù)課程設(shè)計開發(fā)與仿真[J].電子設(shè)計工程,2012,14:44-47. [2]吳維艷.虛擬仿真技術(shù)在職高電子元器件與電路基礎(chǔ)教學(xué)中的實踐應(yīng)用[J].職業(yè)教育(中旬刊),2015,05:18-21.

[3]楊烈君,吳玉芹.虛擬仿真技術(shù)在電子類實驗課程項目教學(xué)中的應(yīng)用[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,04:444-448.

Analysis of circuit design based on Reliability Simulation Technology

Song Yueli，Liu Lijun
（Liaoning mechatronics college，Dandong Liaoning,118009）

With the deepening development of modern education reform, the social demand for talent more emphasizes on practice, it puts forward new requirements for the “digital electronic technology” course, its circuit design is the key of curriculum reform, base on this, this paper takes teaching content and practice requirements as the focus, use reliability simulation technology to design circuit, so as to make circuit structure and component parameters are adjusted to the best state, provide effective support for practice teaching.

reliability simulation technology; curriculum reform requirements; task driven; circuit design

全國職業(yè)院校電子信息類專業(yè)教研課題立項項目：課程改革與教學(xué)資源建設(shè)研究--《數(shù)字電子技術(shù)課程改革》，項目編號：GXH2016-82。