電子設(shè)備抗電磁脈沖性能驗(yàn)證流程制定方法研究

齊 歡，張俊楠，陳 曦，龍 梁，周春曉

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

高空電磁脈沖耦合進(jìn)入電子設(shè)備后，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電流和很高的電壓，對(duì)沒(méi)有采取防護(hù)措施或防護(hù)不到位的電氣設(shè)備造成損傷或毀壞，從而影響電子設(shè)備正常工作，甚至導(dǎo)致電氣系統(tǒng)癱瘓，造成整個(gè)任務(wù)的失敗[1,2]。合理的抗高空電磁脈沖性能的驗(yàn)證流程為檢驗(yàn)電子設(shè)備在高空電磁環(huán)境下的工作性能提供了支撐。本文以測(cè)試性設(shè)計(jì)[3]為依托研究電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證流程的制定方法，研究了電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能可測(cè)試的設(shè)計(jì)方法[4]和抗電磁脈沖試驗(yàn)的測(cè)試流程，提出表征電子設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試流程設(shè)計(jì)方法，同時(shí)以某電子設(shè)備為例，利用所提出的方法制定驗(yàn)證該設(shè)備抗高空電磁脈沖性能的具體流程。

1 性能驗(yàn)證流程制定方法研究

本文的研究思路是通過(guò)系統(tǒng)自檢，即通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試性來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)功能，同時(shí)進(jìn)行測(cè)不到項(xiàng)目的電磁脈沖相關(guān)性分析，并完成測(cè)試流程設(shè)計(jì)。首先提取表征系統(tǒng)工作正常與否的特性量，然后在此基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)試性設(shè)計(jì)結(jié)果分析各個(gè)系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試覆蓋率，最后以此為依據(jù)，確定設(shè)備抗電磁脈沖試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試流程以及對(duì)測(cè)試不到項(xiàng)目的分析與處理方法，電子系統(tǒng)抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證方法的流程如圖1 所示。本文將電子系統(tǒng)的抗高空電磁脈沖性能的驗(yàn)證方法歸結(jié)為A、B、C、D、E 5 項(xiàng)任務(wù)，5 項(xiàng)任務(wù)逐層遞進(jìn)，上一級(jí)任務(wù)的結(jié)論將作為其下一層任務(wù)的主要輸入。

圖1 抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證方法流程 Fig.1 Procedure of Verifying Anti-electromagnetic Pulse Performance

1.1 任務(wù)A：電磁脈沖敏感設(shè)備分析

對(duì)于需要評(píng)估的電子設(shè)備，列出該設(shè)備的元器件配套表，該配套表作為任務(wù)A 的輸入。針對(duì)配套表中的所有元器件逐一進(jìn)行電磁脈沖敏感度分析。根據(jù)分析結(jié)果，提取出半導(dǎo)體器件（含集成電路、晶體管）等對(duì)電磁敏感的元器件子集，電磁脈沖敏感器件表即為任務(wù)A 的輸出，并將作為任務(wù)B 的輸入。

1.2 任務(wù)B：電磁脈沖失效模式分析

對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行失效模式分析，首先列出設(shè)備的每一項(xiàng)功能，并針對(duì)各項(xiàng)功能分析失效模式、失效原因、失效影響，其中在失效影響分析中，具體針對(duì)每項(xiàng)故障模式對(duì)該電子產(chǎn)品、更高一級(jí)產(chǎn)品以及最高一級(jí)產(chǎn)品在工作、功能或狀態(tài)方面產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析。同時(shí)，給出故障檢測(cè)方法、預(yù)防措施、危害程度和出現(xiàn)概率等，形成電子設(shè)備失效模式分析表。

將電子設(shè)備的失效模式分析表和電磁脈沖敏感度器件表作為任務(wù)B 的輸入，兩張表格進(jìn)行對(duì)照分析，提取出失效模式分析表中與電磁脈沖敏感器件相關(guān)的故障模式分析內(nèi)容，形成任務(wù)B 的輸出：電磁脈沖失效模式分析表。在電磁脈沖失效模式分析表中，可只針對(duì)失效模式的影響、嚴(yán)酷度等進(jìn)行分析。嚴(yán)酷度可按表1 分為災(zāi)難的、致命的、嚴(yán)重的、輕度的4 類(lèi)。

表1 嚴(yán)酷度類(lèi)別 Tab.1 Severity Category

1.3 任務(wù)C：電磁脈沖失效模式測(cè)試方案分析

針對(duì)電子設(shè)備可能出現(xiàn)的失效模式制定故障測(cè)試方案，確定各個(gè)測(cè)試階段的所有測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試參數(shù)以及測(cè)試點(diǎn)。將該測(cè)試方案和電磁脈沖失效模式分析表作為任務(wù)C 的輸入。在測(cè)試方案中，提取出與電磁脈沖失效模式分析表項(xiàng)目相關(guān)的子集，即由于電磁脈沖導(dǎo)致的失效模式的測(cè)試項(xiàng)目。根據(jù)分析結(jié)果，給出電磁脈沖失效模式的測(cè)試方案分析表，作為任務(wù)C 的輸出。

1.4 任務(wù)D：電磁脈沖故障檢測(cè)率分析

對(duì)于電子設(shè)備，制定電磁脈沖專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試方案。方案給出該設(shè)備的所有測(cè)試項(xiàng)目，并給出每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目在電磁脈沖專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)中的測(cè)試時(shí)機(jī)，如是否每次電磁脈沖輻照后均進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試，是否每個(gè)試驗(yàn)量級(jí)試驗(yàn)均測(cè)試、是否是試驗(yàn)起止時(shí)的測(cè)試項(xiàng)目。

設(shè)備研制階段，電磁脈沖試驗(yàn)測(cè)試方案的制訂是一個(gè)迭代的過(guò)程。通常需要先暫定一個(gè)試驗(yàn)方案，然后使用任務(wù)D、任務(wù)E 分析其故障檢測(cè)率和測(cè)不到項(xiàng)目的處理方案，如果不滿(mǎn)足要求則返回修改測(cè)試方案。最終得到完備的測(cè)試方案，以便開(kāi)展后續(xù)工作。

對(duì)照電磁脈沖專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試方案，針對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)階段，提取電磁脈沖失效模式測(cè)試方案分析表的子集，該子集僅包含在該階段進(jìn)行的測(cè)試，其余部分被認(rèn)為是測(cè)不到項(xiàng)目。同時(shí)，對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)階段，分別計(jì)算故障檢測(cè)率，給出每次電磁脈沖輻照后、每個(gè)試驗(yàn)量級(jí)以及試驗(yàn)結(jié)束等階段的故障檢測(cè)率。

1.5 任務(wù)E：測(cè)不到項(xiàng)目的處理方案

以電磁脈沖試驗(yàn)測(cè)試方案和電磁脈沖失效模式測(cè)試方案分析表為任務(wù)E 的輸入，結(jié)合電磁脈沖失效模式分析表，對(duì)任務(wù)D 中梳理出的每個(gè)評(píng)價(jià)階段的測(cè)試不到故障模式項(xiàng)目進(jìn)行分析，并制定處理方案。根據(jù)具體的任務(wù)安排和失效模式的嚴(yán)酷度，處理方案可以分為以下4 種類(lèi)別：

a）不處理。對(duì)于嚴(yán)酷度低，對(duì)任務(wù)的完成影響較小的失效模式可不做處理.

b）理論分析。通過(guò)理論分析即可得出失效模式影響的可不進(jìn)行測(cè)試。

c）試驗(yàn)后設(shè)備單元測(cè)試。

d）試驗(yàn)后元器件拆解進(jìn)行元器件測(cè)試。對(duì)于影響較大，且無(wú)法通過(guò)理論分析和單元測(cè)試的失效模式，可在實(shí)驗(yàn)后將元器件拆解并進(jìn)行元器件級(jí)測(cè)試。

2 應(yīng)用示例

2.1 確定配套表

在進(jìn)行抗高空電磁脈沖防護(hù)性能驗(yàn)證方法時(shí)，需要先約定分析層次[5]。在實(shí)際工程中，系統(tǒng)集成工程師和電氣設(shè)備工程師分別在不同的層次開(kāi)展分析，上一層次利用下一層次分析的結(jié)果[6]。以設(shè)備層為例，在這一層，配套表即為設(shè)備的元器件清單，即BOM 表。某樣機(jī)元器件配套如表2 所示。

表2 樣機(jī)元器件配套表 Tab.2 Component List of the Sample

續(xù)表2

2.2 敏感產(chǎn)品（元器件）配套表

一般來(lái)說(shuō)，敏感元器件包括半導(dǎo)體元件等器件。因此，從元器件配套表中，即可提取出敏感產(chǎn)品（元器件）配套表。從表2 元器件配套表提取敏感元器件得到敏感元器件配套如表3 所示。

表3 樣機(jī)敏感元器件配套 Tab.3 Sensitive Component List of the Sample

2.3 電磁脈沖失效模式分析表

在敏感產(chǎn)品（元器件）配套表的基礎(chǔ)上，提取失效模式分析表的含敏感產(chǎn)品（元器件）的子集，形成電磁脈沖失效模式分析如表4 所示。

表4 樣機(jī)電磁脈沖失效模式分析 Tab.4 Analysis Table for Failure Mode of Electromagnetic Pulse of Sample

2.4 電磁脈沖測(cè)試方案設(shè)計(jì)表

在總的測(cè)試方案設(shè)計(jì)表中，通過(guò)抽取與電磁脈沖失效模式分析表對(duì)應(yīng)的子集，即可得到電磁脈沖測(cè)試方案設(shè)計(jì)如表5 所示。

表5 電磁脈沖測(cè)試方案設(shè)計(jì) Tab.5 Test Scheme for Electromagnetic Pulse

2.5 電磁脈沖故障檢測(cè)率分析

由表5 可分析出電磁脈沖相關(guān)故障的檢測(cè)率。對(duì)于本文示例樣機(jī)而言，全部電磁脈沖可能導(dǎo)致的故障模式均可一定程度得到檢測(cè)。

2.6 抗電磁脈沖性能的測(cè)試項(xiàng)目列表

通過(guò)針對(duì)表5 中每一項(xiàng)故障模式，制定相應(yīng)的測(cè)試流程，最終得到整臺(tái)設(shè)備需要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目列表。

對(duì)于本文示例樣機(jī)而言，依據(jù)本文分析，只需要進(jìn)行低壓測(cè)試和高壓測(cè)試兩項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試即可滿(mǎn)足要求，不需要從系統(tǒng)中拆下設(shè)備進(jìn)行單元測(cè)試。

對(duì)于電磁脈沖防護(hù)器件是否失效，導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)系統(tǒng)功能測(cè)試項(xiàng)目（低壓測(cè)試/高壓測(cè)試）的驗(yàn)證，則需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行多次脈沖試驗(yàn)考核，或者在試驗(yàn)后對(duì)相應(yīng)端口使用專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證流程的制定方法，并通過(guò)示例對(duì)該流程進(jìn)行了說(shuō)明。該流程的提出對(duì)電子設(shè)備抗高空電磁脈沖性能驗(yàn)證方法的制定具有一定的指導(dǎo)意義。