怎樣設計一個(gè)穩定可靠零失效的硬件電路(WCCA理論、步驟、實(shí)例)
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不少網(wǎng)友自己設計的產(chǎn)品碰到過(guò)下述情況： 1. 高溫情況下不工作了，查不出什么原因 2. 經(jīng)常碰到一些莫名其炒的問(wèn)題，查不出原因 3. 設備工作一段時(shí)間以后，突然失效不工作了。 類(lèi)似這樣的問(wèn)題，需要通過(guò)可靠性的設計方法避免，WCCA就是可靠性設計一個(gè)重要手段；
什么是WCCA
WCCA即最壞情況分析(Worst case circuit analysis)的硬件電路誤差分析的一種技術(shù)手段，用于電路的可靠性分析，用于評估電路器件的性能參數同時(shí)發(fā)生最壞情況時(shí)的電路性能，用于保證電路在不同的工作環(huán)境(溫度、濕度、氣壓等）下，在整個(gè)產(chǎn)品的生命期內都能可靠工作，它是全面、系統分析電路的方法，是可靠性設計的重要手段。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202404/457656.htmWCCA分析方法
我個(gè)人常用的WCCA分析方法有極值法(extreme value)和蒙特卡洛(monte carlo)分析方法。
此文先講解一下極值法；
極值法一種根據器件的最大值、最小值或者是中間取值，根據器件參數與電路性能參數之間的解析關(guān)系，得到電路性能參數的最大值、最小值、平均值的一種分析方法；
主要步驟是：
1. 根據電子電路技術(shù)，分析電路，得到電路性能參數與各器件性能參數的數學(xué)解析表達式；
2. 從數學(xué)解析表達式中，分析電路性能參數與器件參數之間的變化關(guān)系，比如當器件參數增大時(shí)，電路性能參數也增大；或者是器件參數取極大、極小值之間的某一個(gè)數值時(shí)，電路性能參數可以得到最大/最小值；
3. 從器件的規格書(shū)以及實(shí)驗數據中獲取各器件的最大值，最小值等極值；
4. 根據分析出的關(guān)系，選擇器件的參數數值確定電路性能參數的最大值，最小值；
5. 判斷電路性能參數是否滿(mǎn)足最大值、最小值是否滿(mǎn)足電路可靠性工作要求；
元器件參數的誤差
器件參數主要有三方面的誤差：
初始誤差
是指元件器因為制作工藝、器件差異、生產(chǎn)批次等原因，導致其性能參數與其標稱(chēng)值相比的誤差；
比如標稱(chēng)1k，5%精度的電阻，其廠(chǎng)的初值電阻可以在0.95k-1.05k之間；
環(huán)境誤差
是指元器件的性能受環(huán)境因素影響，其參數指標發(fā)生了變化，與其標稱(chēng)值發(fā)生了偏差；
BE極導通電壓與C極電流、溫度關(guān)系曲線(xiàn)
比如從下圖三極管的BE極導通電壓與溫度、C極電流的關(guān)系曲線(xiàn)，我們可以知道，當溫度在-25℃，C極電流為3.2A時(shí)，BE極的電壓可以高達 1.4V。
再比如三極管的電流放大倍數，從下圖可以得到，當C極電流達到2.0A，溫度為-25℃時(shí)，電流放大倍數僅為40左右。
C、Ｂ極電流放大倍數與C極電流、溫度關(guān)系曲線(xiàn)
老化誤差
隨著(zhù)時(shí)間的推移，元器件的性能會(huì )發(fā)生衰退，從而導致參數發(fā)生變化；
一個(gè)簡(jiǎn)單的例子
下圖的電路是某網(wǎng)友提供的采用三極管實(shí)現的繼電器驅動(dòng)電路，我們用WCCA分析一下該電路的可靠性；
某網(wǎng)友提供的繼電器驅動(dòng)電路
對于這個(gè)電路，我們就考慮一個(gè)電路參數指標：
1. Q51的C極電路，能否讓繼電器可靠的吸合、斷開(kāi)，以及Q51飽和導通；
當單片機輸入高電平時(shí)，繼電器需要在全溫度范圍內保證可靠吸合
根據電子、電路的相關(guān)理論，我們通過(guò)下面兩個(gè)公式計算Q51的C極電流以及CE極的壓降:
公式1
其中IB是Ｂ極電流，
從元器件規格書(shū)以及經(jīng)驗，我們可以知道：
R123最小值是2.97kΩ，最大值是3.63kΩ。
R125最小值是9kΩ，最大值是11kΩ。
VBE(on)的最小值是0.3V，最大值是1.1V。
放大倍數β最小值是30，最大值是120。
單片機輸出的高電平最小值是3.0V，最大值是3.6V。
繼電器繼圈電阻最小值是108Ω，最大值是132Ω；
經(jīng)過(guò)上式的分析，我們也不難得到：
當VH取最小值，VBE(on)取最大值，R123最大值，R125取最小值，放大倍數β取最小值時(shí)，IC取最小值；
IC最小值是：
公式2
施加在繼電器線(xiàn)圈上最小電壓為11.9mA*108Ω=1.28V，達不到繼電器的最低吸合電壓；
此時(shí)，Q51的CE的電壓是5V-1.28V=3.72V，處于放大狀態(tài)；
合理的取值
excel公式計算合理參數
我們通過(guò)excel的公式對參數進(jìn)行優(yōu)化，R123只需要選擇1kΩ,5%精度的R123就可以滿(mǎn)足可靠性的設計要求；
不需要改電路，不需要增加成本，僅是一個(gè)電阻阻值變化，就可以大大增加設計可靠性，真是一個(gè)電阻引發(fā)的血案。
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