摘 要：本文介紹了如何將仿真分析方法應用到電子可靠性工程中的一種新方法，電路仿真可以準確分析電路中的各個器件的瞬態電應力和器件的結溫，同時在仿真軟件中設置器件的降額系數，直接輸出所有器件的應力分析和降額情況。大大提高了降額設計的準確性和效率，對降額技術是一個提高，對硬件工程師是一種新的可靠性設計技術，對產品的可靠性設計是一種新的手段。
仿真技術在降額設計中的應用
降額設計是一種比較傳統的可靠性設計技術。以前做降額設計時，先估計器件上的電壓、電流和功率等各種電應力，然后查找器件降額表，確定應力降額系數。目前已經有各種器件降額標準，提供器件降額系數。硬件設計人員需要做的是先做器件各種電應力的估計，這種估計電應力的方法往往取決于個人經驗，而且往往也只能估計器件上的靜態電應力，無法準確估計器件的瞬態應力，可以說是一種“靜態”的方法。器件的瞬態電應力往往要大于靜態電應力，甚至會大很多，而且根據我們的失效分析經驗，器件失效的主要原因是瞬態的過電應力(EOS)。
同時對原理圖中各個器件的多個電應力進行估計，也是一個非常耗費時間的事情，所以往往只對部分主要器件做降額設計，帶來的問題是有些沒有做降額設計的器件存在可靠性隱患。
針對上面兩個傳統降額設計的問題，在新的降額設計中引入了電路仿真來解決。電路仿真可以準確分析電路中的各個器件的瞬態電應力和器件的結溫，同時在仿真軟件中設置器件的降額系數，直接輸出所有器件的應力分析和降額情況。大大提高了降額設計的準確性和效率。
現在很多電路仿真軟件在分析準確性、效率以及使用的方便性方面都有了很大的提高，在國外硬件設計人員都已經大規模使用，國外電子企業也將仿真作為一種非常重要的技術手段。例如仿真軟件PSPICE在10.0版本中新增加的SMOKE高級分析方法，就是一種用于分析器件功耗、因器件結溫上升、二次擊穿、電源電壓波動、電流過載引起器件過應力的仿真方法；它常應用在電路功能驗證之后，容差分析、優化設計之前，作為電路降額設計審查的最佳方法。
¨ 器件的二次擊穿電壓 ¨ 器件結溫等參數值 若器件在過應力下長時間運行，會導致電路永久失效。SMOKE仿真分析方法采用最大工作條件方法（MOCs），通過考慮器件降額因子，對使用器件參數進行分析，審查器件參數是否過應力使用。輸出結果可以用參數的最大值、有效值、平均值方式表示，同時顯示出器件過應力參數的情況，從而審查器件的降額情況。 仿真在降額設計中的工作流程 仿真在降額中的應用，一般是在瞬態仿真之后，再進行針對器件電應力的仿真分析，而且這個過程一般要持續多次，才能得到滿意的結果。其一般流程如下圖1。 圖1 仿真在降額設計中的工作流程 仿真在降額設計中的應用特點
使用SMOKE仿真分析前，首先要將器件的模型設置為高級分析模型。
對于PSPICE生成的原理圖，首先要將器件模型設置為高級分析模型，新的模型中增加了一些新的高級分析屬性，特別是SMOKE屬性，如電阻器件新模型中將具有RTMAX、RSMAX、RVMAX等屬性，如圖2所示。圖中RTMAX、RVMAX等屬性，將用于表征本電阻器件所能承受的最大溫度應力、電壓應力等。SMOKE屬性可以逐一在各個原件的屬性描述中進行設置，如將RTMAX一欄中改為120，則運行了SMOKE分析后，PSPICE將把計算得到的溫度值和120進行比較，來判定器件的溫度應力是否超出范圍。
調用高級模型庫中的元器件包括SMOKE參數，如果沒有帶SMOKE參數的模型,可以用模型編輯器新建。如圖3所示。 圖3 具有SMOKE參數的器件屬性
在前面我們介紹了傳統降額設計的一個問題是不能作瞬態電應力分析，運用PSPICE瞬態仿真，首先確認電路功能仿真結果正確，然后查看每個器件的電應力仿真波形結果，檢查是否滿足降額設計要求。如下圖4藍色曲線是一個5V的電壓輸出仿真波形，在這個輸出連線上有多個電容，需要作電壓降額設計，一個電容是固態鉭電解電容，額定電壓為10V，根據RAC標準，降額50％，為5V，另有一個電容為陶瓷電容，額定電壓為10V，根據RAC降額標準，電壓降額60%，為10X0.6=6V。但是從圖中曲線可以看到實際的電壓峰值達到6.16V，所以這兩個電容都存在降額不足的問題。但是在傳統的降額設計中一般只是按5V的靜態情況進行設計，其降額設計又是足夠的，可見傳統降額設計存在可靠性上的隱患。通過上述情況對比，可以發現，采用仿真方法可以使降額設計做得更加準確，消除隱患，提高產品可靠性。
仿真在降額設計中的另外一個好處是可以自動對所有器件的電應力進行仿真分析，輸出降額分析結果，如下圖5所示是SMOKE的輸出結果。開始運行SMOKE，SMOKE即自動在激活的瞬態仿真狀態下運行。通過考慮器件參數最大工作條件和降額因子，SMOKE分析計算出器件的安全工作范圍。最后以表格的形式輸出分析結果。輸出結果可以選擇平均值、有效值、最大值中任一種或多種顯示形式。輸出結果同時以不同顏色圖標加以區別，圖標的含義如下： 紅色圖標表明：器件參數結果已經超值 黃色圖標表明：器件參數結果在90％－100％之間，已較接近上限 綠色圖標表明：器件參數結果小于90％，在安全區域 灰色圖標表明：該參數不需要考慮 SMOKE分析還可以輸出器件溫度分析結果，溫度參數只能使用峰值和平均值表示。 圖5 SMOKE的輸出結果 靈活設置降額系數標準 現在業界的降額標準有多個，國際上使用比較多的是美軍標MIL-STD_975、RAC、JPL-D
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