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)應用后，常會(huì )有個(gè)別出現一些偶發(fā)故障，退回到廠(chǎng)家實(shí)驗室后，施加各種應力進(jìn)行故障激發(fā)試驗，卻又不能故障再現；還有一種情況是研制的有限臺數樣機產(chǎn)品，長(cháng)時(shí)間拷機運行中，個(gè)別臺次有很低概率的偶發(fā)故障，或者可自行恢復，或者經(jīng)過(guò)人工重啟后也能恢復，但人為施加各種應力進(jìn)行試驗，卻不能再現?；蛘呒词构收显佻F了，卻需要超常規高應力的激發(fā)，在現實(shí)工況中，這種應力又根本不會(huì )存在，這樣的實(shí)驗方法即使有故障再現，也缺乏技術(shù)支持的說(shuō)服力。

在生產(chǎn)檢驗階段，批量較大的產(chǎn)品，限于制程過(guò)程成本，不太可能做到逐臺的全性能檢驗，只能采用抽樣的方式，抽取少量的樣機進(jìn)行全性能參數的測試（大多數機器做主要參數測試即可），然后將抽樣樣機的測試結果與預期設計性能指標對比，如果都在指標要求范圍內，則批次性放行。但是這種貌似合理的方法里，卻蘊藏著(zhù)一個(gè)大隱患，就是小概率隱患的機器抽樣時(shí)抽不到的問(wèn)題。

如何確認單臺產(chǎn)品工作狀態(tài)的穩定性，以及多臺產(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、機理、檢測方法，是本文研究的主題。

1 方法描述

下面用類(lèi)比的方法來(lái)解釋偶發(fā)故障問(wèn)題的機理。假設1 個(gè)班級，有50 個(gè)孩子，兩周后要去市里參加統考，如果100% 的孩子統考都及格則重獎老師。作為老師，一般會(huì )先出1 套模擬試卷做摸底測驗，如果摸底的結果是50 個(gè)孩子都及格，那兩周后的市統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)孩子的分數從60~100 分都有，按照常識判斷，60~65 分的孩子統考不及格的風(fēng)險概率就會(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，考試的次數足夠多，其分數就會(huì )圍繞這個(gè)基數波動(dòng)，這個(gè)基數就是多次考試結果的均值μ，用（圖1）來(lái)解釋?zhuān)珹 孩子多次考試的均值μ_a = 64，B 孩子的均值為μ_b = 72，當A 某次考試的種種隨機原因影響，則有一定的小概率跌到60分以下；而B(niǎo) 因為實(shí)際水平均值在72 分，即使發(fā)生一些隨機因素影響，即便考砸的后果也能在65 分以上。

圖1

A 和B 這兩類(lèi)不及格的原因會(huì )有所區別，A 會(huì )因為成績(jì)均值水平偏低（μ_a = 64）和隨機概率事件（如題型變化、心理變化等）引起的波動(dòng)導致小概率性不及格；B 則基本不太會(huì )因為常規隨機小概率事件影響導致不及格，但它有另一種隱患，就是可能會(huì )因為發(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，為了確保參加市統考的50 個(gè)孩子都能及格，就可以針對可能不及格的因素，針對性地做好預防，對A 類(lèi)孩子強化補課，補課把分數都提高到80 分以上；對B 類(lèi)孩子呵護有加，防止考前發(fā)生大的意外，比如封閉管理，清淡飲食，禁止激烈對抗性運動(dòng)等。做好這兩點(diǎn)，隨機小事件不至于導致不及格，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，批量統考不及格問(wèn)題便迎刃而解。

依據如上道理，做類(lèi)比分析，1 臺產(chǎn)品里，假設有50 個(gè)參數，每個(gè)參數類(lèi)比于1 個(gè)孩子的成績(jì)，參數的類(lèi)型有電壓、電流、溫度、扭矩、流量、壓力等，每個(gè)參數在工作中多少總有點(diǎn)波動(dòng)，但設計師在產(chǎn)品設計上對這些波動(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(xiàn)60 分。在廠(chǎng)區里拷機的時(shí)候設備一切正常，可以理解成摸底考試的每個(gè)參數都在60 分以上。

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

而遠離臨界值余量比較大的B 類(lèi)參數（類(lèi)比為B類(lèi)的孩子），常規的一般性波動(dòng)，不會(huì )造成小概率的偶發(fā)故障，但有可能因為突發(fā)大事件工況導致B 類(lèi)參數也會(huì )超出臨界值，如電機的突然啟停、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(lèi)問(wèn)題的故障概率。

理解了如上的原理，針對偶發(fā)故障的探查方法就可以得出如下幾條思路：

1）對于現場(chǎng)的偶發(fā)故障，故障機器返廠(chǎng)回實(shí)驗室后，不必再把故障復現作為首選工作方案，因為這種小概率偶發(fā)故障有可能根本復現不了，就好像A類(lèi)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、試驗費用，又不能接受。

2）根據故障現象，分析可能導致此問(wèn)題的被懷疑參數；

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

4）若故障機器不方便返廠(chǎng)，甚至可以找1 臺跟故障機器在設計方案、器件型號和廠(chǎng)家、工藝幾方面完全相同的機器，對被懷疑的問(wèn)題參數（數據或波形）進(jìn)行測量；

5）將測試結果與臨界值（類(lèi)比于60 分及格線(xiàn)）做對比，評估出其大概分數，定性分析看是否在臨界值以上的余量是否夠大；

6）對測量出的在常態(tài)工作下參數分值都高出60 分余量不多的參數，進(jìn)行專(zhuān)項整改，提高其常態(tài)均值。然后做批量驗證，如果偶發(fā)小概率故障不再出現的話(huà)，整改方案則可評審通過(guò)。完美避開(kāi)故障再現不能實(shí)現的難題。這個(gè)做法類(lèi)比對應針對A 類(lèi)孩子的做法；

7）檢查產(chǎn)品中的功能模塊、以及產(chǎn)品周邊配套的設備，是否有瞬態(tài)啟停的大功率工況。搭建模擬實(shí)驗環(huán)境，人為制造這種工況，在相應工況下，測試余量較大的被懷疑相關(guān)參數，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，則針對這種工況下的參數進(jìn)行整改，整改后，做單臺測試，模擬干擾工況下，該參數波動(dòng)值都能遠離臨界值，整改方案則可評審通過(guò)。這個(gè)做法類(lèi)比針對B 類(lèi)孩子的做法。

2 量化分析

通過(guò)對參數數據的風(fēng)險評估，判斷偶發(fā)故障是否由該參數引起，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。以信號電壓參數波動(dòng)導致出現偶發(fā)故障示例來(lái)說(shuō)明量化分析的步驟，以便據此判斷是否由此參數導致的偶發(fā)故障、也可根據分析結果預測實(shí)際產(chǎn)品的偶發(fā)故障概率值。

1）首先測試該波形，然后隨機取樣，取樣值數量應具備統計參考價(jià)值，可根據統計參考價(jià)值和實(shí)際操作的時(shí)間和人力成本綜合決定，推薦適當多取一點(diǎn)，也可根據統計采樣樣本量的計算公式來(lái)^[2]，按照顯著(zhù)性水平5%，置信水平95%，計算得出適用的樣本數量。

2）取樣后，計算電壓值的均值μ 和標準差σ；

3）計算電路參數，確認電路對該輸入電壓要求的臨界值V_max、V_min 的具體值，這個(gè)值要結合具體電路確定，如5 V CMOS 數字芯片，輸入信號管腳的高電平臨界判定電壓一般為0.7×V_cc=3.5 V，常規標稱(chēng)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該在（3.5 V，5.5 V）之間，超出這個(gè)區間，則有可能損壞或者電平信號出錯；

4）對比計算參數和電壓臨界值參數，如3）中示例，至少需要滿(mǎn)足如下條件：

5）如果不滿(mǎn)足4）的條件，則需對該電路的紋波進(jìn)行整改，反復迭代，最終滿(mǎn)足要求。計算的過(guò)程可以借助EXCEL 或者統計分析軟件的強大計算功能來(lái)完成，以節省人力。

6）根據2）計算出的均值μ 和標準差σ 的結果，在不整改的情況下，看臨界值在統計分布中的位置，利用正態(tài)分布的計算方法^[3]，可以計算出超出臨界值的發(fā)生概率，由此推斷出現場(chǎng)工況下的偶發(fā)故障概率。

3 案例應用

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（該圖為交流耦合測試結果），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)，于是測試該波形。結合電路分析，導致偶發(fā)故障的是下降的尖峰電壓，因為信號電壓直接跟隨電源電壓而波動(dòng)，本應該輸出高電平信號，卻因為下沖的電源電壓導致輸出端的高電平電壓低，發(fā)送到接收端時(shí)可能識別不出來(lái)。以紋波電壓為研究對象，按照本文第三章的方法進(jìn)行測試分析。

1）以下沖的尖峰為研究對象，結合工程經(jīng)驗，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，預估定義下沖200 mV 以?xún)鹊牟▌?dòng)為電路的隨機事件引發(fā)，超出200 mV 的為開(kāi)、關(guān)瞬態(tài)導致，而開(kāi)關(guān)瞬態(tài)形成的尖峰組事件也符合隨機事件的特征，以時(shí)間軸為抽樣點(diǎn)，連續抽取下沖超出200 mV 的每個(gè)尖峰的電壓值，并記錄采樣數據1 000 個(gè)。

2）計算該下沖電壓的均值μ 和標準差σ（因為是下降電壓，低于基線(xiàn)電壓，因此是個(gè)負數）；

3）計算電路參數，確認對電源Vcc 要求的低電平臨界值V_cc min；

4）對比計算參數和Vcc 臨界值參數，應滿(mǎn)足如下條件（由本節2）中可知，此公式中μ、σ 均為負值）：

5）若不滿(mǎn)足4）的條件，則需對紋波進(jìn)行整改抑制。

反復整改迭代直到滿(mǎn)足的要求。

4 結束語(yǔ)

總結起來(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，總結如下：

1）超出臨界值余量不多的參數，即在及格線(xiàn)以上附近波動(dòng)的參數是偶發(fā)故障的根源之一，這里命名為“60分原理”，針對這類(lèi)參數進(jìn)行整改提升，使參數值達到80，甚至90 分以上即可。這樣，可以繞開(kāi)故障再現的難題，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)題的目標對象和措施。量化值判斷的方法和故障概率的評估可運用正態(tài)分布的原理和計算方法作為指導。

2）另一種引起偶發(fā)故障的根源是產(chǎn)品內大功率模塊、以及周邊配套的大功率設備，在瞬態(tài)啟停的工況下，將本來(lái)余量足夠大、隨機干擾根本不足以導致其故障的參數，給影響到了超出限制引起故障的地步。這部分的具體實(shí)驗方法和機理比較易于理解，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:

[1] 武曄卿,李東偉,石小兵.電路設計工程計算基礎[M].北京:電子工業(yè)出版社,2018,7.

[2] 賈俊平,何曉群,金勇進(jìn).統計學(xué)[M].第六版.北京:中國人民大學(xué)出版社,2015,1.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）