汽车WCCA中使用的公差比航天应用中使用的公差要严格得多

2017年，我曾经为一家汽车公司的工程师们讲授最坏情况电路分析（WCCA）培训课程。在向学生们展示我们针对汽车模块开发的WCCA样品时，我听到了议论咕噜声。我问是怎么回事，一名学生宣称：“我们没有时间搞这个！”

WCCA已经成为汽车行业的一个重要话题，ISO 26262、汽车中电子部分的比重飞速增长以及汽车制造商的企业指导方针等都迫使人们重视WCCA问题。

而航天工业目前的趋势描绘了一个完全不同的画面。高成本计划正在减少，而低成本和较短的任务普遍存在。同样，项目经理也在惊呼说，我们只是没有预算。

显然，汽车和航天工业有不同的局限性，但两者都可能因为分析不充分而导致意外事故。两者都未能看到的是，分析才是他们省钱的救命之路。在后续的文章中，我将探讨与测试和测试数据相关的问题和缺点，但可以肯定地说，测试并不是便宜、简单或能快速搞定的事，当然也不能使寿命终止（EOL）问题免除。

通过有针对性和优先级的分析，可以解决测试无法解决的问题。这可以让你以设计为中心来发现问题并增加收益，并可以避免将时间和资金浪费在电路板上。

这里的关键要点是，无论你选择分析什么，都必须严格执行，确保合适的分析准确性。否则，你可能会因为虚假结果而浪费宝贵的金钱和时间（见图1）。

图1：WCCA总是面临着降低成本、提高质量和缩短交货期的压力。

对WCCA做了足够的评估后，你会发现头号问题就是缺乏严谨性。

不同的行业有不同的分析（检查表）和文件标准。人们会认为航天行业是最严格的。汽车在WCCA文档方面非常宽松，但由于ISO 26262等标准的要求，汽车行业正在WCCA方面大步前行，要求进行更多和具体的分析，特别是在EMC和ESD要求方面。与航天应用不同的是，WCCA在汽车电子模块方面已经形成一套标准实践。你可能会惊讶地发现，汽车WCCA中使用的公差比航天应用中使用的公差要严格得多。

这种严谨性的缺乏以多种形式表现出来。

未能“层层分析”的情况包括：

•   在执行完整的WCCA方面未用寿命终止极端情况下的所有适用公差深入挖掘。

•   没有验证关键假设和仿真模型。

•   跳过简单的电路，没有查看所有应该检查的地方。

•   没有涵盖所有可能的工作条件。

•   忽略可能影响分析结果的二阶和三阶效应，没能达到足够的准确性。

没有执行关键分析

除了上面提到的失误之外，所进行的分析通常只是在合理的程度上进行。但是，正是这些因为“逃避”（“投机取巧”的委婉说法）而被完全忽略的分析，潜伏着许多不合规之处。我们将在后续的文章《Too Many Escapes and Biases（太多的逃避与偏见）》中进一步讨论这些问题。图2列出了一些常用功能模块的检查表。由于偏差、无知或“可接受的”标称测试数据，它们通常受到忽略或被错误区分优先次序并被视为无关紧要。如果设计人员不了解设计性能的要求或驱动因素，那么这些问题可能无法在WCCA中得到解决。例如，没有分析控制回路的稳定性，因为该元件没有反馈接入来绘制波特图。其他示例还包括执行“衍生需求”分析，例如FET栅极驱动、FET安全工作区（SOA）、BJT最小hFE、泄漏和基极驱动，或运算放大器稳定性，因为它们被认为“太简单”。此外，一些传统电路的某些器件、公差和工作条件发生变化，也会引起潜在的问题，但却没有对其进行分析。

图2：AEi Systems的开关电源（汽车应用）分析检查表（上面的部分清单）。

通过模拟测试计划和故障条件，其他EMC、ESD和电池故障分析也添加进来了。除了压力和降额以外，即使是粗略的事项也是一项重要的数学和仿真工作，动辄花费数百小时也不稀罕。线性稳压器、POL和参考都有各自的列表清单。

最佳实践将始终从一个综合的任务列表开始，然后根据工程问题、电路评估、可用的测试数据、传统电路、任务/产品要求，以及最终的预算和进度，确定分析的优先级并予以消除。如上所述，分析的事项不应该留给设计者，因此最坏情况电路分析是很难贯彻执行的。

WCCA应与失效模式、效应和关键性分析（FMECA）的结果相关联，对于有些电路，若其严重故障被确定为是关键或很可能发生时，那么就应执行WCCA和最坏情况应力分析。

没有进行足够详细的压力和降额分析

•   在许多情况下，并非要检查所有应检查和降额的元件参数（有关降额和要评估的元件参数，请参阅SMC-S010或Mil-Handbook-1547或类似的IPC-9592）。

•   没有采用EOL公差执行真实的最坏情况应力分析，以及所有三种应力评估（稳态DC、开关和瞬时上电/断电/故障）。

EOL公差指标少

我们经常看到EOL公差只包括基于时间的老化。这还不够，EOL公差还应包括环境和各种制造公差（见表1），以及冲击、湿度和振动等。

Test	MIL-PRF-55342 Limits (ΔR ±)
Thermal shock	0.1%
Low temperature operation	0.1%
Short time overload	0.1%
High temperature exposure	0.1%
Resistance to bonding	0.2%
Moisture resistance	0.2%
TCR	± 25 ppm/°C
Life (2 000 h at +70@deg;C	0.5%
Life (10 000 h at +70@deg;C	2.0%

 

表1：MIL-PRF-55342电阻器的环境测试。（资料来源：Vishay）

例如，对于55342电阻器，其使用寿命为10万小时（约10年）；仅基于时间的老化公差应该至少为1.25%。而美国空军太空司令部SMC-S-010指南规定，总EOL公差达到2%的电阻器才能使用。由于元器件质量的提高，SMC-S-010取代了Mil-HdBk-1547规范，后者推荐使用的EOL公差为4%。在任何情况下，记住要执行的分析是“最坏情况”，虽然对于某些应用可以对公差进行平方和求根，但将它们降低到不切实际的水平或将它们完全排除在外都是不可接受的。处理公差数据的差距将在以后的文章中探讨。

在文档编制上吝啬

文档编制是WCCA最重要的一个部分。详细的文档编制对于审核过程至关重要，这也可以取得很好的投资回报。对于假设条件的记录尤其如此——假设条件总有很多。文档的编写应不但能方便审阅者对分析进行评估，也能让设计人员容易理解分析，而无需与最初的分析师交谈。通过这种方式，文档就成为了合规电路或更好产品（未合规情况）的技术路线图。为了使分析具有更长的使用期限，并在未来的产品修订中发挥作用，文档绝对不能草率手写完事。以下要素都是必不可少的：

•   分析范围包括工作条件、输入激励和输出负载。

•   功能性电路描述。

•   模型描述、列表和测试相关性。

•   解释哪些要求需要评估以及使用了哪些分析方法。

•   假设——从评论者的角度考虑他们可能想问但你却认为是理所当然的问题。

•   分析“故事”——讲故事是至关重要的，不仅要提供一些数学或SPICE仿真，而且要向评论者提供一个相当详细的说明，包括计算内容、计算方式以及你的发现。

•   结论（结果、利润、风险）和建议。

虽然预算始终是个问题，但不应因此影响分析的严谨性。如果有理由进行分析，那就要正确地分析。情愿少做一些分析，也不要对重要的分析偷工减料。

在“最坏情况”系列的下一篇文章中，我们将介绍元件和电路仿真模型开发、模型相关性和公差，以及如何处理供应商提供的模型。