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        電子設(shè)備抗電磁脈沖性能驗(yàn)證流程制定方法研究

        2019-12-19 09:05:06張俊楠周春曉
        關(guān)鍵詞:電磁脈沖測(cè)試項(xiàng)目電子設(shè)備

        齊 歡,張俊楠,陳 曦,龍 梁,周春曉

        (北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京,100076)

        0 引 言

        高空電磁脈沖耦合進(jìn)入電子設(shè)備后,會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電流和很高的電壓,對(duì)沒(méi)有采取防護(hù)措施或防護(hù)不到位的電氣設(shè)備造成損傷或毀壞,從而影響電子設(shè)備正常工作,甚至導(dǎo)致電氣系統(tǒng)癱瘓,造成整個(gè)任務(wù)的失敗[1,2]。合理的抗高空電磁脈沖性能的驗(yàn)證流程為檢驗(yàn)電子設(shè)備在高空電磁環(huán)境下的工作性能提供了支撐。本文以測(cè)試性設(shè)計(jì)[3]為依托研究電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證流程的制定方法,研究了電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能可測(cè)試的設(shè)計(jì)方法[4]和抗電磁脈沖試驗(yàn)的測(cè)試流程,提出表征電子設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試流程設(shè)計(jì)方法,同時(shí)以某電子設(shè)備為例,利用所提出的方法制定驗(yàn)證該設(shè)備抗高空電磁脈沖性能的具體流程。

        1 性能驗(yàn)證流程制定方法研究

        本文的研究思路是通過(guò)系統(tǒng)自檢,即通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試性來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)功能,同時(shí)進(jìn)行測(cè)不到項(xiàng)目的電磁脈沖相關(guān)性分析,并完成測(cè)試流程設(shè)計(jì)。首先提取表征系統(tǒng)工作正常與否的特性量,然后在此基礎(chǔ)上,結(jié)合測(cè)試性設(shè)計(jì)結(jié)果分析各個(gè)系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試覆蓋率,最后以此為依據(jù),確定設(shè)備抗電磁脈沖試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試流程以及對(duì)測(cè)試不到項(xiàng)目的分析與處理方法,電子系統(tǒng)抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證方法的流程如圖1 所示。本文將電子系統(tǒng)的抗高空電磁脈沖性能的驗(yàn)證方法歸結(jié)為A、B、C、D、E 5 項(xiàng)任務(wù),5 項(xiàng)任務(wù)逐層遞進(jìn),上一級(jí)任務(wù)的結(jié)論將作為其下一層任務(wù)的主要輸入。

        圖1 抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證方法流程 Fig.1 Procedure of Verifying Anti-electromagnetic Pulse Performance

        1.1 任務(wù)A:電磁脈沖敏感設(shè)備分析

        對(duì)于需要評(píng)估的電子設(shè)備,列出該設(shè)備的元器件配套表,該配套表作為任務(wù)A 的輸入。針對(duì)配套表中的所有元器件逐一進(jìn)行電磁脈沖敏感度分析。根據(jù)分析結(jié)果,提取出半導(dǎo)體器件(含集成電路、晶體管)等對(duì)電磁敏感的元器件子集,電磁脈沖敏感器件表即為任務(wù)A 的輸出,并將作為任務(wù)B 的輸入。

        1.2 任務(wù)B:電磁脈沖失效模式分析

        對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行失效模式分析,首先列出設(shè)備的每一項(xiàng)功能,并針對(duì)各項(xiàng)功能分析失效模式、失效原因、失效影響,其中在失效影響分析中,具體針對(duì)每項(xiàng)故障模式對(duì)該電子產(chǎn)品、更高一級(jí)產(chǎn)品以及最高一級(jí)產(chǎn)品在工作、功能或狀態(tài)方面產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析。同時(shí),給出故障檢測(cè)方法、預(yù)防措施、危害程度和出現(xiàn)概率等,形成電子設(shè)備失效模式分析表。

        將電子設(shè)備的失效模式分析表和電磁脈沖敏感度器件表作為任務(wù)B 的輸入,兩張表格進(jìn)行對(duì)照分析,提取出失效模式分析表中與電磁脈沖敏感器件相關(guān)的故障模式分析內(nèi)容,形成任務(wù)B 的輸出:電磁脈沖失效模式分析表。在電磁脈沖失效模式分析表中,可只針對(duì)失效模式的影響、嚴(yán)酷度等進(jìn)行分析。嚴(yán)酷度可按表1 分為災(zāi)難的、致命的、嚴(yán)重的、輕度的4 類。

        表1 嚴(yán)酷度類別 Tab.1 Severity Category

        1.3 任務(wù)C:電磁脈沖失效模式測(cè)試方案分析

        針對(duì)電子設(shè)備可能出現(xiàn)的失效模式制定故障測(cè)試方案,確定各個(gè)測(cè)試階段的所有測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試參數(shù)以及測(cè)試點(diǎn)。將該測(cè)試方案和電磁脈沖失效模式分析表作為任務(wù)C 的輸入。在測(cè)試方案中,提取出與電磁脈沖失效模式分析表項(xiàng)目相關(guān)的子集,即由于電磁脈沖導(dǎo)致的失效模式的測(cè)試項(xiàng)目。根據(jù)分析結(jié)果,給出電磁脈沖失效模式的測(cè)試方案分析表,作為任務(wù)C 的輸出。

        1.4 任務(wù)D:電磁脈沖故障檢測(cè)率分析

        對(duì)于電子設(shè)備,制定電磁脈沖專項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試方案。方案給出該設(shè)備的所有測(cè)試項(xiàng)目,并給出每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目在電磁脈沖專項(xiàng)試驗(yàn)中的測(cè)試時(shí)機(jī),如是否每次電磁脈沖輻照后均進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試,是否每個(gè)試驗(yàn)量級(jí)試驗(yàn)均測(cè)試、是否是試驗(yàn)起止時(shí)的測(cè)試項(xiàng)目。

        設(shè)備研制階段,電磁脈沖試驗(yàn)測(cè)試方案的制訂是一個(gè)迭代的過(guò)程。通常需要先暫定一個(gè)試驗(yàn)方案,然后使用任務(wù)D、任務(wù)E 分析其故障檢測(cè)率和測(cè)不到項(xiàng)目的處理方案,如果不滿足要求則返回修改測(cè)試方案。最終得到完備的測(cè)試方案,以便開(kāi)展后續(xù)工作。

        對(duì)照電磁脈沖專項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試方案,針對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)階段,提取電磁脈沖失效模式測(cè)試方案分析表的子集,該子集僅包含在該階段進(jìn)行的測(cè)試,其余部分被認(rèn)為是測(cè)不到項(xiàng)目。同時(shí),對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)階段,分別計(jì)算故障檢測(cè)率,給出每次電磁脈沖輻照后、每個(gè)試驗(yàn)量級(jí)以及試驗(yàn)結(jié)束等階段的故障檢測(cè)率。

        1.5 任務(wù)E:測(cè)不到項(xiàng)目的處理方案

        以電磁脈沖試驗(yàn)測(cè)試方案和電磁脈沖失效模式測(cè)試方案分析表為任務(wù)E 的輸入,結(jié)合電磁脈沖失效模式分析表,對(duì)任務(wù)D 中梳理出的每個(gè)評(píng)價(jià)階段的測(cè)試不到故障模式項(xiàng)目進(jìn)行分析,并制定處理方案。根據(jù)具體的任務(wù)安排和失效模式的嚴(yán)酷度,處理方案可以分為以下4 種類別:

        a)不處理。對(duì)于嚴(yán)酷度低,對(duì)任務(wù)的完成影響較小的失效模式可不做處理.

        b)理論分析。通過(guò)理論分析即可得出失效模式影響的可不進(jìn)行測(cè)試。

        c)試驗(yàn)后設(shè)備單元測(cè)試。

        d)試驗(yàn)后元器件拆解進(jìn)行元器件測(cè)試。對(duì)于影響較大,且無(wú)法通過(guò)理論分析和單元測(cè)試的失效模式,可在實(shí)驗(yàn)后將元器件拆解并進(jìn)行元器件級(jí)測(cè)試。

        2 應(yīng)用示例

        2.1 確定配套表

        在進(jìn)行抗高空電磁脈沖防護(hù)性能驗(yàn)證方法時(shí),需要先約定分析層次[5]。在實(shí)際工程中,系統(tǒng)集成工程師和電氣設(shè)備工程師分別在不同的層次開(kāi)展分析,上一層次利用下一層次分析的結(jié)果[6]。以設(shè)備層為例,在這一層,配套表即為設(shè)備的元器件清單,即BOM 表。某樣機(jī)元器件配套如表2 所示。

        表2 樣機(jī)元器件配套表 Tab.2 Component List of the Sample

        續(xù)表2

        2.2 敏感產(chǎn)品(元器件)配套表

        一般來(lái)說(shuō),敏感元器件包括半導(dǎo)體元件等器件。因此,從元器件配套表中,即可提取出敏感產(chǎn)品(元器件)配套表。從表2 元器件配套表提取敏感元器件得到敏感元器件配套如表3 所示。

        表3 樣機(jī)敏感元器件配套 Tab.3 Sensitive Component List of the Sample

        2.3 電磁脈沖失效模式分析表

        在敏感產(chǎn)品(元器件)配套表的基礎(chǔ)上,提取失效模式分析表的含敏感產(chǎn)品(元器件)的子集,形成電磁脈沖失效模式分析如表4 所示。

        表4 樣機(jī)電磁脈沖失效模式分析 Tab.4 Analysis Table for Failure Mode of Electromagnetic Pulse of Sample

        2.4 電磁脈沖測(cè)試方案設(shè)計(jì)表

        在總的測(cè)試方案設(shè)計(jì)表中,通過(guò)抽取與電磁脈沖失效模式分析表對(duì)應(yīng)的子集,即可得到電磁脈沖測(cè)試方案設(shè)計(jì)如表5 所示。

        表5 電磁脈沖測(cè)試方案設(shè)計(jì) Tab.5 Test Scheme for Electromagnetic Pulse

        2.5 電磁脈沖故障檢測(cè)率分析

        由表5 可分析出電磁脈沖相關(guān)故障的檢測(cè)率。對(duì)于本文示例樣機(jī)而言,全部電磁脈沖可能導(dǎo)致的故障模式均可一定程度得到檢測(cè)。

        2.6 抗電磁脈沖性能的測(cè)試項(xiàng)目列表

        通過(guò)針對(duì)表5 中每一項(xiàng)故障模式,制定相應(yīng)的測(cè)試流程,最終得到整臺(tái)設(shè)備需要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目列表。

        對(duì)于本文示例樣機(jī)而言,依據(jù)本文分析,只需要進(jìn)行低壓測(cè)試和高壓測(cè)試兩項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試即可滿足要求,不需要從系統(tǒng)中拆下設(shè)備進(jìn)行單元測(cè)試。

        對(duì)于電磁脈沖防護(hù)器件是否失效,導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)系統(tǒng)功能測(cè)試項(xiàng)目(低壓測(cè)試/高壓測(cè)試)的驗(yàn)證,則需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行多次脈沖試驗(yàn)考核,或者在試驗(yàn)后對(duì)相應(yīng)端口使用專用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        本文提出了電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證流程的制定方法,并通過(guò)示例對(duì)該流程進(jìn)行了說(shuō)明。該流程的提出對(duì)電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證方法的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

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