本发明提供一种航空参数处理设备电源模块的 FMIS方法，特别是涉及一种 基于应力仿真和失效模式注入技术的航空参数 处理设备电源模块故障及其影响 仿真方法， 属于产品可靠性仿真领域。

背 景 技 术

随着科技的高速发展， 航空产品的复杂程度不断提高， 同时对可靠性的要 求也越来越高。 因此， 在产品研制过程中对故障分析、 可靠性设计提出了更高 的要求。 航空参数处理设备是对采集的航空飞行参数进 行记录、 处理、 测量、 报警， 以监控飞机运行状态的电子设备。 电源模块的功能是将外界电源电压转 化为设备中其他模块需要的电压， 为整个设备提供电源输入。 电源模块通过卡 槽、 连接器、 锁紧条固定设备机箱两侧， 在飞机执行任务的过程中受到温度载 荷以及飞行中振动载荷的作用， 其各组成元器件、 连接件可能会发生某些状态 的变化甚至失效， 这种变化或失效会对其周围的元器件或部件产 生影响， 最终 危害到整个模块甚至设备的可靠性和安全性。

目前工程上应用的硬件 FMEA (失效模式及影响分析， Fai lure Modes and Effect Analysis )方法是通过系统的分析元器件、 零部件、 设备在设计、 制造 和使用过程中所有可能的故障模式， 以及每一故障模式的原因及影响， 找到潜 在的薄弱环节， 提出改进措施和设计预案， 从而提高产品可靠性的一种分析方 法。 这种方法的实施依赖于工程人员的经验， 具有较大的主观性， 经验不丰富 的工程人员可能无法找到关键的失效模式， 无法准确的估计这些失效模式对其 同层次、高一层次和最终层次的影响，从而不 能提出有针对性的设计改进措施。

FMIS (失效模式注入仿真， Failure Modes and Injection Simulation ) 是利用应力与失效模式注入仿真相结合的方法 获得产品实际环境和工作条件下 会发生的失效模式、 定量确定在这些故障模式下电路输出的方法。 FMIS主要包 括应力仿真和失效模式注入两个关键的技术或 方法。 应力仿真方法是指利用商 用数值仿真软件， 例如 ANSYS、 Flotherm、 Nastran将设备所承受的温度、振动 载荷施加到产品的数字模型上， 利用计算机仿真的方法获得设备对这些载荷的 响应。 失效模式注入技术是利用 EDA (电子设计自动化， Electronic Design Automation)软件，将失效模式电路模型注入到正� ��的电路仿真模型中，获得该 失效模式下电路各部分及最终输出电性能情况 。 常用的 EDA软件包括 Pspice、 Cadence, Cyber等。 FMIS方法是进行 FMEA的定量辅助方法。 通过对现有技术 的查新和检索， 国内外还没有利用 FMIS 方法进行航空参数处理设备电源模块 FMEA方面研究和应用的报道。

发 明 内 容

1、 目的： 本发明的目的在于针对现有技术的不足， 提供一种航空参数处理 设备电源模块的 FMIS方法，它是基于应力仿真方法和失效模式� �入技术来确定 电源模块失效模式， 并定量获得该失效模式下电路输出， 为设计人员评估失效 模式的影响、确定其危害性提供依据， 同时也为电源模块的设计改进提供依据。

2、技术方案： 本发明是通过以下技术方案实现的， 确定电源模块的关键部 件， 确定关键部件的潜在失效模式， 仿真电源模块正常状态下的电路输出， 仿 真电源模块在失效状态下的电路输出。

本发明一种航空参数处理设备电源模块的 FMIS方法， 其具体步骤如下- 步骤一： 确定航空参数处理设备电源模块（以下简称 "电源模块"）上的关 键部件。 主要包括：

a. 首先要获得电源模块在温度、 振动载荷下的应力分布。 详细过程如下：

1 ) 确定电源模块任务过程中最恶劣的温度和振动 环境。 主要包括- 1.若电源模块的设计要求中给出了电源模块的� ��作温度范围以及振动加速 度功率谱密度剖面， 则选择温度范围中的高温作为最恶劣的温度环 境， 选择所 给出的振动加速度功率谱密度剖面中， 振动加速度功率谱密度量值最大的一个 做为最恶劣振动环境， 若只给出一个振动加速度功率谱密度剖面， 则将该剖面 确定为最恶劣振动环境。

2.若电源模块设计要求中未给出电源模块的工� ��温度范围以及振动加速度 功率谱密度剖面， 根据国家标准 《GBT2423. 43- 2008 电工电子产品环境试验》 确定最恶劣的温度和振动环境。

2 )对电源模块进行 Flotherm温度分布仿真。 Flotherm是一种成熟的商业 有限积分软件， 主要功能是进行温度仿真。 主要包括：

a)导入电源模块的三维 CAD (计算机辅助设计， Computer Aided Design)模 型。首先将建立好的电源模块三维 CAD模型通过中间格式，如 IGES、 SAT、 STEP等格式导入到 Flotherm软件中， 该三维 CAD模型描述了电源模块 的结构组成、 装配连接关系， 包括电源模块以及功耗超过 0. 1W的元器 件的几何结构， 不需要建立元器件焊接点的几何结构。

b)定义电源模块组成各部分的温度分布仿真材� ��参数。 主要包括： 各组成 材料的比热容、 导热系数。

c)对电源模块模型进行网格划分。 利用 Flotherm软件进行自动网格划分， 网格长宽比应控制在 20以内。

d)施加温度载荷与边界条件。 温度载荷主要包括最恶劣环境温度和元器件 的工作实际功耗， 利用 Flotherm的温度施加命令， 将 1 )中确定的最恶 劣温度环境条件施加到电源模块模型中。将元 器件的实际功耗除以元器 件的表面积， 得到面热流密度， 利用 Flotherm的热流密度施加命令， 输入到 Flotherm软件中。 利用 Flotherm温度边界设置命令， 设置元器 件与空气相接触面的自然对流换热系数。

e) 实施温度分布仿真。利用 Flotherm的求解命令进行该电源模块在最恶劣 温度条件下的温度分布仿真， 最终可以获得电源模块各部分， 各位置点 的温度分布。

3 )对电源模块进行 ANSYS振动应力分布仿真。 ANSYS是一种成熟的商业有 限元仿真软件， 可以进行功率谱密度仿真。 主要包括： a) 导入电源模块的三维 CAD模型。 首先将建立好的电源模块三维 CAD 模型通过中间格式， 如 IGS、 STEP等格式导入到 ANSYS软件中， 该三维 CAD模型描述了电源模块的结构组成、 装配连接关系， 包括了电源模块 以及重量大于 0. 1克的元器件的几何结构，不需要建立元器件� �接点的 几何结构。

b ) 定义电源模块组成各部分的振动应力仿真材料 参数。主要包括：各组 成材料的密度、 弹性模量、 泊松比。

c ) 对电源模块模型进行网格划分。 利用 ANSYS软件进行自动网格划分， 网格长宽比应控制在 5以内。

d) 施加振动加速度功率谱密度与边界条件。主要 包括，利用 ANSYS的加 速度功率谱密度施加命令， 将 1 ) 中确定的最恶劣振动加速度功率谱密 度量值及其对应的频率值输入到 ANSYS软件中，并施加到电源模块的固 定位置部位， 施加方向垂直于电源模块的安装方向。利用 ANSYS的位移 边界施加命令， 对电源模块固定位置部位施加 X、 Υ、 Ζ三个方向的零位 移约束。

e ) 实施振动应力仿真。设置电源模块的振动阻尼 值，根据工程经验一般 选择 0. 03到 0. 05之间的数量。利用 ANSYS的求解命令进行该电源模块 在最恶劣振动条件下的应力仿真，求解结束后 可以获得电源模块各部位 的响应， 包括位移、 速度以及加速度均方根。

b.将高温、 高振动响应的元器件、 零部件确定为关键部件。

对于集成电路芯片、 二极管、 晶体管等分立器件， 若芯片的质量等级 为工业级， 则当仿真得到其表面温度超过 85 时，该集成电路为关键部件; 若芯片质量等级为军品级，则当仿真得到其表 面温度超过 100 C时，该集成 电路为关键部件； 对于电阻器、 电容器等元器件， 若其与电路板的连接方 式为表面贴装， 则当仿真得到其表面温度超过 90 时， 该元器件定为关键 将设备在振动仿真中得到的位移、 加速度均方根最大值的部位所在的 元器件、 零部件定为关键部件。

步骤二： 确定关键部件的失效模式。 根据下列表 1， 电子产品的载荷与失 莫式及失效原因的对应关系， 利用步骤一中获得的电源模块上关键元器件与 件所受的载荷类型来确定其可能的失效模式。

表 1 电子产品受到的载荷与失效模式与失效原因对 应关系

步骤三： 进行电源模块在正常状态下的瞬态电路仿真。 主要包括：

a. 建立正常状态下电源模块的 Pspice电路模型。首先建立组成电源模块的 各元器件的模型。 对于电阻器、 电容器、 电感器、 部分二极管、 部分晶 体管等元器件的电路模型可以在 Pspice的模型库中选择通用模型，根据 元器件的实际参数来修改通用模型中相应参数 。 对于集成电路芯片和部 分二极管、晶体管等器件，若 Pspice模型库中无法找到对应型号的模型， 可以到元器件制造商的网页下载相应的模型。 元器件模型建好后， 根据 电路功能关系， 将各元器件输入输出端连接起来， 形成电源模块的 Pspice电路模型。

b. 对正常状态下电路进行瞬态仿真。 输入外界提供给电源电路的电压随时 间的变化曲线，启动 Pspice电路瞬态仿真，获得正常状态下电路中各 元 器件的输入和输出电参数以及电路最终的输出 ， 例如电压、 电流随时间 的变化曲线。

步骤四： 进行电源模块在失效状态下的瞬态电路仿真， 主要包括- a. 失效模式注入。 将步骤一确定的关键元器件的失效模式注入到 步骤三 ( a)中建立的电源模块 Pspice电路模型中， 形成失效状态下的电路模 型。 元器件的失效模式注入方法如下列表 2所示。

表 2 元器件失效模式的注入方法

b. 对失效状态下的电路进行瞬态仿真。输入外界 提供给电源电路的电压随 时间的变化曲线， 启动 Pspice电路瞬态仿真， 获得失效状态下电路中 各元器件的输入和输出电参数以及电路最终的 输出， 例如电压、 电流随 时间的变化曲线。

综上所述，本发明的技术思路在于：首先根据 应力仿真的结果确定电源模 块的关键部件， 利用载荷与失效模式的对应关系确定关键部件 的失效模式、 建 立电源模块的 Pspice电路模型，通过进行电路瞬态仿真获得电 源模块正常状态 下的电路输出，建立电源模块失效状态下的 Pspice电路模型，通过进行电路瞬 态仿真获得电源模块失效状态下的电路输出。 可以看出， 基于应力仿真和失效 模式注入技术的航空参数处理设备电源模块的 FMIS方法，可以在设计的早期阶 段获得电源模块可能发生的失效模式以及该失 效下电路输出状态， 从而有利于 设计人员评估该失效模式的影响， 有针对性的采取设计改进措施， 避免失效的 发生。

3、 优点及功效： 本发明具有以下优点：

1. 利用应力仿真方法确定电源模块的关键部件。 电源模块关键部件可以依靠经 验或通过实物样机试验确定。在设计阶段通常 采用经验法，在原理样机验证 阶段采用试验方法。当设计人员经验不足时， 在设计阶段确定的关键器件往 往不准确。 而在验证阶段采用试验方法需要较长的试验时 间和设计更改时 间。利用应力仿真方法可以在设计阶段为工程 师提供设备定量的应力分布状 况， 定位关键部件较为准确， 且能够节约试验成本， 缩短设备研发周期。 . 利用失效模式注入技术获得电源模块失效状态 下的输出。元器件的失效模式 通常有短路、 开路、 参数漂移三种情况。 对于短路、 开路这两种模式， 设计 人员可以比较容易的确定其对周围器件及电源 模块的影响。 但对于参数漂 移，不同漂移量值可以导致对电源模块的不同 影响，仅仅依靠定性的分析难 以准确的给出其影响。失效模式注入技术提供 了一种定量仿真电源模块在失 效状态下输出的方法，设计人员可以对比正常 与失效状态下的输出，准确的 描述该失效模式的影响。

附 图 说 明

图 1是本发明方法流程框图。

图 2是本发明实施例电源模块结构组成示意图。

图 3是本发明实施例电源模块的 Pspice模型示意图。

图 4是本发明实施例电源模块正常状态下的两路� �压输出示意图。

图 5是本发明实施例电源模块在注入电阻 R12短路后的 Pspice模型示意 图。

图 6是本发明实施例电源模块在注入电阻 R12参数漂移后的 Pspice模型示 意图。

图 7是本发明实施例电源模块在电阻 R12短路状态下的两路电压输出示意 图。

图 8是本发明实施例电源模块在电阻 R12参数漂移状态下的两路电压输出 示意图。

. 图中符号说明如下：

图 1中的 Pspice为一种常用的商用电子设计自动化软件。

图 3、 5、 6中的 LM193为运算放大器的型号， 属于集成电路器件。

图 4、 7、 8中的 outl为第 1路输出， 或称为输出 1 ; out2为第 2路输出， 或称为输出 2。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的 详细说明。

以下实施例是按照如图 1所示的流程进行实施的， 主要包括确定电源模块 的关键部件、 确定关键部件的潜在失效模式、 电源模块正常状态下的瞬态电路 仿真、电源模块失效状态下的瞬态电路仿真。 电源模块的结构组成如图 2所示。 主要包括电路板、 塑封集成电路芯片、 陶瓷集成电路芯片、 贴片电阻器、 插装 电阻器、 电容器。

见图 1， 本发明一种航空参数处理设备电源模块的 FMIS方法， 该方法具体 步骤如下：

步骤一： 确定航空参数处理设备电源模块（以下简称 "电源模块"）上的关 键部件。 主要包括：

a. 通过专利申请 "一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定� �法"的 步骤一、 步骤二、 步骤三来获得电源模块在温度、 振动载荷下的应力 分布。详细内容在"一种航空参数处理设备可� �性薄弱环节确定方法" 专利申请中的实施例中进行了说明。

b. . 将高温、 高振动响应的元器件、 零部件确定为关键部件。

根据 "一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定� �法"实施例中确定的 高温器件， 其中 U4和 R12位于电源模块。 U4为军品级的集成电路芯片， 壳温 超过了 100 ; R12为军品级表贴电阻， 壳温超过了 90"C。 因此确定 U4、 R12 为高温条件下的关键元器件。

在振动条件下，航空参数处理设备可靠性薄弱 环节在 CPU模块和 AD转换模 块上， 电源模块不存在振动可靠性的薄弱环节， 也不存在振动条件下的关键部 件。

步骤二： 确定关键部件的失效模式。 根据表 1， 电子产品的载荷与失效模 式及失效原因的对应关系， 利用步骤一中获得的电源模块上关键元器件与 部件 所受的载荷类型来确定其可能的失效模式。 本实施例电源模块中的关键部件及 其失效模式、 失效原因如下列表 3所示。

表 3 电源模块上的关键部件的失效模式

骤三： 进行电源模块在正常状态下的瞬态电路仿真， 主要包括： a. 建立电源模块的 Pspice电路模型。电源模块上的各元器件，包括 电阻器、电容器、的电路模型是在 Pspice的模型库中调用通用模型， 然后修改通用模型中电阻器的阻值和电容器的 容值。集成电路芯片的 模型也是在 Pspice模型库中直接提供的。 元器件模型建好后， 根据 电路功能关系， 将各元器件输入输出端连接起来， 形成电源模块的 Pspice电路模型。 如图 3所示。 b. 对正常状态下电路进行瞬态仿真。 输入外界提供给电源电路的电 压， 直流 27V， 启动 Pspice电路瞬态仿真， 获得正常状态下电路中 各元器件的输入和输出电参数以及电路最终的 输出。如图 4为电源模 块正常状态下的两路电压输出。 骤四： 进行电源模块在失效状态下的瞬态电路仿真， 主要包括- 失效模式注入。 将步骤一确定的关键元器件的失效模式注入到 步骤三 ( a)中建立的电源模块 Pspice电路模型中， 形成失效状态下的电路模 型。 U4与 R12的失效模式 Pspice模型及其注入方法如下列表 4所示。

表 4 U4与 R12失效模式的注入方法 代号 失效模式 故障建模方法

短路 并联 1*10— ^fi 欧电阻

U4

参数漂移 将增益值由 2. 8修改为 2. 9

短路 并联 1*1(Τ欧电阻

R12

阻值漂移 将电阻值由 6. 2千欧修改为 6. 25千 代号 失效模式 故障建模方法

短路 并联 1*10— ^H 欧电阻

U4

参数漂移 将增益值由 2. 8修改为 2. 9

欧

如图 5所示为电源模块在注入电阻 R12短路后的 Pspice模型，其中圆形部 位为 R12短路故障的模型。图 6为电源模块在注入电阻 R12参数漂移后的 Pspice 模型， 椭圆形部位为 R12参数漂移故障的模型。 b. 对失效状态下的电路进行瞬态仿真。 输入外界提供给电源电路的电压， 直流 27V, 启动 Pspice电路瞬态仿真， 获得 U4、 R12失效模式存在状 态下电路中各元器件的输入和输出电参数以及 电路最终的输出。 如图 7 为电源模块在电阻 R12短路状态下的两路电压输出。可见， 当电源模块 中 R12电阻短路后， Outl输出恒为高电平， 0ut2在输入电压为 17〜32V 时输出错误。如图 8为电源模块在电阻 R12参数漂移状态下的两路电压 输出。 可见， 当电源模块中 R12的阻值由 6. 2千欧参数漂移到 6. 25千 欧时， 对输出无影响。

通过对航空参数处理设备电源模块进行 FMIS,可以帮助工程人员在设计的 初期阶段确定电源模块上关键元器件的失效模 式及其失效影响， 从而有利于设 计人员采取手段避免器件失效后对电源模块， 乃至整个设备造成的危害。

本发明建立了基于应力仿真和失效模式注入技 术的航空参数处理设备电源 模块故障及其影响仿真方法。 利用该方法， 可以对航空参数处理设备的电源模 块进行应力仿真与失效模式注入， 在设计阶段快速定位设备的关键失效及其影 响， 避免失效对设备造成危害。