基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)分析

宋月麗，劉立軍（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東，118009）

基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)分析

宋月麗，劉立軍
（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東，118009）

隨著現(xiàn)代教育改革的深化推進(jìn)，社會(huì)對(duì)于人才的需求更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性，這給《數(shù)字電子技術(shù)》課程的發(fā)展提出了新的發(fā)展要求，其內(nèi)含的電路設(shè)計(jì)是課改的關(guān)鍵，針對(duì)此，本文將以新課內(nèi)容及教學(xué)實(shí)踐需求為研究基點(diǎn)，利用可靠性仿真技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，由此在電路制作之前將通過(guò)仿真軟件將電路結(jié)構(gòu)及元器件參數(shù)調(diào)整至最佳狀態(tài)，以為實(shí)踐教學(xué)提供有效支撐。

可靠性仿真技術(shù)；課改要求；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；電路設(shè)計(jì)

1 基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)需求分析

基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)主要是以虛擬儀器設(shè)備替代現(xiàn)實(shí)電子元器件，從而為電子電路的實(shí)踐教學(xué)提供有效支撐，從而更好了踐行“理實(shí)一體化”的教學(xué)理念，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐技能的提升，促使課程回歸教學(xué)的本質(zhì)。

1.1 實(shí)踐性教學(xué)開(kāi)展的內(nèi)在需求

基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)，學(xué)生可以參與擬訂設(shè)計(jì)方案、仿真模擬等環(huán)節(jié)，從電路的設(shè)計(jì)方案、仿真模擬等環(huán)節(jié)，能夠?qū)⒒逎y懂的理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合，幫助學(xué)生提升實(shí)踐技能。

1.2 實(shí)現(xiàn)層次化和差異化教學(xué)的必然選擇

關(guān)涉電路設(shè)計(jì)的技術(shù)型教學(xué)內(nèi)容涉及的元器件較為繁雜，且不同元器件性能、參數(shù)、封裝形式、價(jià)格、功耗等存在較大區(qū)別，在教學(xué)過(guò)程中需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試，這增加了設(shè)備投資成本，而且因?yàn)閷W(xué)生個(gè)性化差異，學(xué)習(xí)、接受能力各不相同，加之電子元器件復(fù)雜程度的不同，應(yīng)該據(jù)此分層次設(shè)定目標(biāo)，以貼近生活、學(xué)生所喜愛(ài)的教學(xué)內(nèi)容，以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)，但這勢(shì)必增加電子元器件的投入，而仿真模擬電路的設(shè)計(jì)可以利用仿真軟件呈現(xiàn)電子電路的操作面板和功能，并通過(guò)交互式操作完成相應(yīng)測(cè)試任務(wù)，不僅滿(mǎn)足了教學(xué)需求，而且控制了教學(xué)成本。

2 基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)方案

2.1 電路設(shè)計(jì)的整體流程

可靠性仿真技術(shù)可以檢驗(yàn)電路存在的故障并發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對(duì)性的進(jìn)行改進(jìn)，為了遵循由簡(jiǎn)入繁的原則，以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性，本文以典型電路電源模塊設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)過(guò)程中首先應(yīng)該進(jìn)行可靠性仿真實(shí)驗(yàn)，其具體的流程如圖1所示。

圖1 基于電路設(shè)計(jì)的流程

2.2 電路設(shè)計(jì)的具體步驟

2.2.1 設(shè)計(jì)信息采集

為了實(shí)現(xiàn)電源電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)詳細(xì)搜集其應(yīng)用環(huán)境和使用方法等信息，具體包含所采用的元器件、原材料特性（技術(shù)指標(biāo)、尺寸、裝量及封裝形式）及數(shù)量。

2.2.2 數(shù)字樣機(jī)建模

電路設(shè)計(jì)中數(shù)字樣機(jī)建模須采用專(zhuān)業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)、接受能力存在差異，應(yīng)該目標(biāo)層次，將設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分解，并以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的形式，將不同設(shè)計(jì)知識(shí)分配到各個(gè)任務(wù)之中，讓學(xué)生通過(guò)分步設(shè)計(jì)完成理論知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，由此才能確保電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的效果，通常存在熱設(shè)計(jì)信息和振動(dòng)設(shè)計(jì)信息兩類(lèi)建模方式，具體的建模步驟為：

首先根據(jù)將所獲取的電路信息進(jìn)行簡(jiǎn)化，完成CAD數(shù)字樣機(jī)模型的構(gòu)建，并依據(jù)熱設(shè)計(jì)信息建立CFD數(shù)字樣機(jī)模型，而后依據(jù)振動(dòng)設(shè)計(jì)信息建立FEA數(shù)字樣機(jī)模型。

其次，為確保CFD數(shù)字樣機(jī)與物理樣機(jī)的一致性，須對(duì)其進(jìn)行修正與驗(yàn)證，利用對(duì)電源模塊工作狀態(tài)熱測(cè)量的方式，獲取其關(guān)鍵元器件點(diǎn)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，并根據(jù)所得結(jié)果修正電源模塊CFD數(shù)字樣機(jī)的邊界條件、期間參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)CFD數(shù)字樣機(jī)的修正。

再次，同理，也須采用相同的方法對(duì)FED數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行修正，且測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)該在約束條件下對(duì)電源模塊重點(diǎn)部位，關(guān)鍵元器件進(jìn)行模態(tài)分析，并依據(jù)結(jié)果完成修正。

2.2.3 應(yīng)力分析

溫度應(yīng)力分析選用Mentor Graphics 公司的FloTherMV90分析計(jì)算電源模塊CFD數(shù)字樣機(jī)模型，經(jīng)過(guò)分析可知，電源模塊設(shè)計(jì)中如元器件排布不合理，則會(huì)導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)存在熱分布過(guò)度集中的缺陷。分析中，平臺(tái)環(huán)境溫度70℃設(shè)定為第一參考溫度條件，電源模塊表層軍溫度72℃設(shè)為第二參考溫度條件，經(jīng)過(guò)分析，為電源模塊所在分級(jí)提供5V工作電源的功率器區(qū)域，是熱分布較集中的部位，需要修正電路設(shè)計(jì)方案。而對(duì)于振動(dòng)應(yīng)力分析，則選用ANSYS公司的ANSYS Workbench12.1分析計(jì)算電源模塊FEA數(shù)字樣機(jī)模型，分析結(jié)果顯示，電源模塊中元器件數(shù)量和重量排布、安裝方式設(shè)計(jì)不合理，使得電源模塊產(chǎn)生局部共振的設(shè)計(jì)問(wèn)題，應(yīng)該據(jù)此進(jìn)行及時(shí)修正，以?xún)?yōu)化電路設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將可靠性仿真技術(shù)引入電路設(shè)計(jì)之中，將電路細(xì)化分類(lèi)，并根據(jù)學(xué)生個(gè)體差異由簡(jiǎn)入繁、逐步引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)的分層實(shí)現(xiàn)，也將培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能真正落實(shí)到實(shí)處。

[1]王朝新,任斌,陳潔,董緒. 基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,14:44-47. [2]吳維艷.虛擬仿真技術(shù)在職高電子元器件與電路基礎(chǔ)教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用[J].職業(yè)教育(中旬刊),2015,05:18-21.

[3]楊烈君,吳玉芹.虛擬仿真技術(shù)在電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目教學(xué)中的應(yīng)用[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,04:444-448.

Analysis of circuit design based on Reliability Simulation Technology

Song Yueli，Liu Lijun
（Liaoning mechatronics college，Dandong Liaoning,118009）

With the deepening development of modern education reform, the social demand for talent more emphasizes on practice, it puts forward new requirements for the “digital electronic technology” course, its circuit design is the key of curriculum reform, base on this, this paper takes teaching content and practice requirements as the focus, use reliability simulation technology to design circuit, so as to make circuit structure and component parameters are adjusted to the best state, provide effective support for practice teaching.

reliability simulation technology; curriculum reform requirements; task driven; circuit design

全國(guó)職業(yè)院校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)教研課題立項(xiàng)項(xiàng)目：課程改革與教學(xué)資源建設(shè)研究--《數(shù)字電子技術(shù)課程改革》，項(xiàng)目編號(hào)：GXH2016-82。