電路設(shè)計引發(fā)的六性問題研究范文

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摘要：裝備質(zhì)量是設(shè)計出來的，裝備的“六性”水平是由設(shè)計賦予的，是承制單位設(shè)計人員水平的體現(xiàn)。如果裝備的設(shè)計缺陷在使用過程中才被逐漸地暴露，那么后期更改將“牽一發(fā)而動全身”，付出的代價就會非常大。從電路設(shè)計引發(fā)的“六性”問題入手，用實際案例詮釋了電路設(shè)計對產(chǎn)品“六性”的影響，并對由設(shè)計缺陷引起的質(zhì)量問題進行了剖析。在電路組件一級，針對電子元器件、連接器的篩選和質(zhì)量保證措施已經(jīng)日趨完善，而對電路“技術(shù)細節(jié)”的審查，卻存在不足；而更多的是，僅憑借設(shè)計者的經(jīng)驗進行判斷，對此亟待加強改進。

關(guān)鍵詞：六性；保護設(shè)計；電容斷裂；小型化

0引言

裝備“六性”是裝備質(zhì)量的重要指標[1]，并且是質(zhì)量管理的核心內(nèi)容，是對傳統(tǒng)質(zhì)量管理的必要擴充。它是裝備形成戰(zhàn)斗力的基礎(chǔ)，可以提高裝備作戰(zhàn)能力，減少維修人力，縮小后勤保障規(guī)模，降低使用和保障費用[2]。電路是裝備中樞控制系統(tǒng)的載體，電路出現(xiàn)故障，對裝備功能和性能的影響危害程度往往較高，甚至會造成工作癱瘓。武器裝備電路系統(tǒng)復雜，存在模塊多、元器件種類多、數(shù)量多、來源多和裝配測試工藝復雜等問題，電路設(shè)計的“六性”問題將直接影響裝備的“六性”水平，因此有必要提高電路系統(tǒng)的“六性”水平。

1電路設(shè)計引發(fā)的“六性”問題分析

1.1總線收發(fā)芯片使用不規(guī)范，上電存在過流隱患

總線收發(fā)芯片的特點是雙向傳輸，使能和方向選擇一般通過FPGA等可編程芯片控制，但FPGA初始化時間長達數(shù)百毫秒，此時控制總線收發(fā)芯片方向的FPGAI/0管腳電平狀態(tài)不確定，如果總線收發(fā)芯片使能端口0E沒有接上拉電阻而直接連接FPGA的I/0管腳，總線芯片將直接可能輸出電平信號，給后級帶來總線沖突和過流隱患。以某產(chǎn)品1553B總線模塊為例，總線收發(fā)芯片選用常用的SNJ54LVTH245AFK芯片，該芯片具有使能端口和方向選擇端口，設(shè)計人員將這兩個端口直連到了FPGA芯片I/0管腳，而沒有選擇使用上拉電阻。如果使用了上拉電阻，在FPGA初始化的幾百毫秒內(nèi)，使能端將一直為高電平，總線輸出為高阻態(tài)，后級不會發(fā)生總線沖突和過流，但如果未使用上拉電阻，F(xiàn)PGA初始化的幾百毫秒內(nèi)，使能端口將為不定態(tài)，總線可能輸出高電平或者低電平而不是高阻態(tài)，致使后級可能發(fā)生總線沖突。經(jīng)過實際測試，總線沖突時，電流可高達0.1A，這超過芯片的承受能力。該問題具有很大的隱蔽性：1）設(shè)計人員主要關(guān)注FPGA初始化后的性能測試結(jié)果，對初始化過程中產(chǎn)品工作可靠性關(guān)注不足；2）過流不代表器件一定會損壞，F(xiàn)PGA初始化后仍然可以正常工作，但會帶來質(zhì)量隱患。反思：器件使用不規(guī)范，不代表產(chǎn)品性能不達標，但會給產(chǎn)品工作的可靠性帶來隱患。在該例中，設(shè)計人員只關(guān)心了性能評價，而對可靠性分析不足。設(shè)計人員是增強產(chǎn)品健壯性和可靠性的主體，如果留下隱患，后期故障排查和已制品處理將很困難。

1.2電源接口對稱設(shè)計和保護不到位，導致可靠性不高

某型加速度計已工程化使用多年，在市場推廣過程中，發(fā)生多起因電源接反而毀壞的現(xiàn)象。在慣導產(chǎn)品的研制過程中，該型加速度計也出現(xiàn)了在電源未接反情況下而燒毀的情況[3]。通過分析，造成該問題的原因有兩個：1）+15V電源輸入端接口與地線接口對稱設(shè)計，俯視和仰視的差異造成判斷失誤，電源接反（如圖1所示）；2）該型加速度計未設(shè)計電流過流保護和反向電壓保護電路，由于電容充放電原因，在慣導產(chǎn)品上電和斷電過程中，各個模塊上電時序有差異，存在一定概率造成瞬間地線電壓高于該加速度計供電電壓，形成反向電壓而燒毀。針對問題一，電源和地線對稱設(shè)計，無論在什么系統(tǒng)，均有一定的錯接概率，如果由于設(shè)計原因，必須采用對稱設(shè)計，則可采用外接端口異形標識或者外殼記號標識的方法加以解決。針對問題二，雖然將加速度計損壞的原因歸結(jié)為外部供電電源設(shè)計不合理導致，但該型加速度計的“脆弱性”卻再次暴露，對此可通過在使用說明書中標明該型加速度計未有過流保護措施和反向電壓保護措施，應在其供電電源中加入這兩項保護措施來解決問題。反思：該型加速度計的“六性”問題，完全是電路設(shè)計不合理引起的，設(shè)計人員對產(chǎn)品使用過程中的復雜環(huán)境預估不足，未能更多地站在客戶角度去考慮問題。如果設(shè)計人員在產(chǎn)品最初設(shè)計時，考慮到這些問題，則完全可以避免發(fā)生后期問題。

1.3電路布局中電容位置不合理，導致可靠性不足，引發(fā)電容斷裂問題

電容是電路中非常重要的元器件，具有濾波、調(diào)相等作用。電容斷裂將對產(chǎn)品功能和性能產(chǎn)生一定的影響。圖1某型加速度計外接接口定義圖信號1溫度信號信號2+15V輸入地線俯視圖56第4期在某型產(chǎn)品振動實驗中，出現(xiàn)了貼片陶瓷電容斷裂的現(xiàn)象。分析原因，為該電容位置接近定位孔位置，同時電路板振動方向與電容長邊垂直，PCB電路板該區(qū)域形變大，機械應力大，超過瓷體強度而出現(xiàn)裂紋[4-5]。反思：對于電路板應力分布，目前沒有很好的仿真軟件，難以定量分析，往往借助設(shè)計人員的經(jīng)驗設(shè)計，并通過環(huán)境適應性實驗來進行驗證，但由于研制階段往往小批量試制，一旦無法暴露，將產(chǎn)生嚴重的后果。在電路設(shè)計鑒定中，沒有明確的指標進行判斷，設(shè)計人員應提高對機械應力的認識，設(shè)計中盡量降低應力，提高產(chǎn)品的“六性”水平。

1.4電路設(shè)計小型化引起的“六性”問題

隨著新技術(shù)、新工藝和新材料的采用，小型化是產(chǎn)品的重要發(fā)展方向之一。為之配套的電路也要實現(xiàn)小型化。在某型陀螺電路設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)電路小型化，大量使用0402封裝的阻容器件，并按照元器件連接關(guān)系密集排布。在陀螺測試調(diào)試過程中，需要根據(jù)技術(shù)協(xié)議，對其標度因數(shù)、零位等進行調(diào)節(jié)，方式為對電阻阻值進行更換。其中，由于零位與陀螺的敏感組件有一定的關(guān)系，難以一次到位，后期調(diào)整的概率較大。在設(shè)計階段，未考慮修調(diào)的可達性，需要修調(diào)的電阻周圍被其他電阻密集地圍繞，更換電阻可達性差，更換過程中容易對周圍電阻造成影響，嚴重影響了更換效率并造成了質(zhì)量隱患。該問題在產(chǎn)品大批量訂貨階段才反映出來，由此占用了大量的人力物力。為了實現(xiàn)某型加速度計電路的小型化，研制階段采用了密封的混合集成電路工藝，使用過程中，發(fā)生了由于多余物引起功能異常的問題。雖然定性為生產(chǎn)工藝問題，但通過分析幾起案例，發(fā)現(xiàn)有一定的共性，即均存在輸出信號與地線之間阻抗異常的問題。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果有一個不大于800Ω的電阻處于輸出信號與地線之間，該故障將復現(xiàn)。通過對混合集成電路版圖進行分析，承制方為方便布線，在電路板外緣走了一圈地線導通帶，方便直接金絲鍵合。雖然方便了版圖布局，但造成了電路板上地線導通帶面積過大，且與大量未塑封器件距離過近，造成信號線通過多余物與地線搭接的概率增大，留下質(zhì)量隱患。后通過版圖優(yōu)化布局，減小地線導通帶線長和寬度，調(diào)整器件位置，成功地解決了輸出信號與地線之間阻抗異常的問題。小型化電路設(shè)計中，由于設(shè)計特點，可靠性、維修性、測試性和環(huán)境適應性等更應著重考慮，否則會對后續(xù)維修、測試帶來很大的不便。小型化電路“六性”水平更加依賴于設(shè)計人員對產(chǎn)品“六性”的把握程度。在電路設(shè)計鑒定過程中，對小型化產(chǎn)品“六性”應重點討論，深刻剖析，不將問題帶到批產(chǎn)階段。

2結(jié)束語

產(chǎn)品的“六性”是設(shè)計出來的，一個成功的設(shè)計不僅僅指功能和性能滿足規(guī)定要求，還應包括產(chǎn)品的“六性”設(shè)計是否成功。本文通過實例闡述了電路設(shè)計對產(chǎn)品“六性”的影響，并進行了反思。發(fā)現(xiàn)造成這些現(xiàn)象的原因主要是：1）部分電路設(shè)計人員對“六性”的認識不足，接受培訓不足，在產(chǎn)品預研階段、方案階段，存在把重心放在產(chǎn)品功能和性能上的現(xiàn)象，造成后期被動；2）電路設(shè)計具有專用性、特殊性等特點，鑒定中，國軍標主要對電路設(shè)計中的通用特性，如元器件選用和篩選標準、電路板板級篩選標準和生產(chǎn)裝配工藝等進行了明確[6]，對設(shè)計過程中的“特殊細節(jié)”審查導向不足，更多地依賴設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗和認知水平，這些“技術(shù)細節(jié)”為電路系統(tǒng)的“六性”埋下了隱患；3）量化考核不足，產(chǎn)品某些“六性”要求，如容差錯設(shè)計、余度設(shè)計等，僅為設(shè)計指導原則或者設(shè)計保證，并無具體的考核依據(jù)，而這些設(shè)計在保證產(chǎn)品“六性”中可能是關(guān)鍵性的。在電路設(shè)計中，應最大限度地發(fā)揮設(shè)計人員的主觀能動性，增加電路設(shè)計“六性”反向思考的步驟，重點考慮其設(shè)計的特殊性，讓設(shè)計人員直面“技術(shù)細節(jié)”，對提高產(chǎn)品“六性”有一定的幫助。設(shè)計完成后，技術(shù)人員應反向考慮設(shè)計有沒有可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性和環(huán)境適應性等問題，做好剖析論證，根據(jù)其更改措施設(shè)立“合理化建議”獎等獎勵措施，形成導向，提高設(shè)計人員對“六性”的認識水平。

參考文獻：

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作者:陳沖沖 樊虎 曾凡 飛 張進 單位:中國人民解放軍93160部隊