潛在通路對(duì)電子設(shè)備的危害及解決措施

王文智

(1.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710000；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710000)

0 引言

1960年，美國(guó)火箭發(fā)射時(shí)在火箭離開發(fā)射座數(shù)百米后發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，造成重大損失。事后查明，原因是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)控制線路中存在潛在通路。自此之后，潛在通路分析日益得到重視并逐漸在重大工程中得到推廣應(yīng)用。潛在通路的形成并非是由于元器件損壞、元器件參數(shù)漂移和電磁干擾等，而是由于在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中元器件非關(guān)鍵參數(shù)配置不合理、相關(guān)參數(shù)邊界條件設(shè)置不合理、正常/非正常工作狀態(tài)考慮不全面，并在特定條件下在電子電路中產(chǎn)生了不希望有的通路[1]——潛在通路，它的存在將引起電路功能異?；蛞种普９δ?，并可能導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生功能性故障或出現(xiàn)安全性問題。隨著電子設(shè)備功能要求逐步提高，電子設(shè)備構(gòu)成日趨復(fù)雜，而復(fù)雜的電路構(gòu)成為潛通電路的可能存在提供了滋生環(huán)境。潛在通路分析是以小的成本(或代價(jià))解決潛在通路危害的唯一方法，因此有必要在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中開展?jié)撛谕贩治觥?/p>

1 潛在通路基本分析方法

潛在通路分析[2]是可靠性分析方法之一，其目的是通過開展裝備潛在通路分析，發(fā)現(xiàn)裝備潛在通路，進(jìn)而指導(dǎo)裝備設(shè)計(jì)改進(jìn)，以提高裝備工作可靠性和使用安全性。

潛在通路分析有人工分析法和計(jì)算機(jī)輔助分析法兩種。人工分析法[3]一般用于設(shè)備連接關(guān)系或電路構(gòu)成簡(jiǎn)單的裝備，計(jì)算機(jī)輔助分析法一般用于設(shè)備連接關(guān)系或電路構(gòu)成復(fù)雜的裝備，本文只針對(duì)人工分析法做簡(jiǎn)單介紹。人工分析法一般由電路簡(jiǎn)化、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹、拓?fù)浞治龊徒⒕€索表等工作內(nèi)容組成，潛在通路人工分析流程見圖1。

圖1 潛在通路人工分析流程Fig.1 Sneak circuit analysis process

1)簡(jiǎn)化電路。即運(yùn)用電路分析的串聯(lián)、并聯(lián)及其他基本原理[4]將被分析的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，將數(shù)量較多、較為復(fù)雜的電路簡(jiǎn)化為數(shù)量較少的等效部件。電路簡(jiǎn)化有廣義和狹義兩層含義：廣義是將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分割成容易分析的較小系統(tǒng)，即進(jìn)行系統(tǒng)分割，使復(fù)雜的系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化；狹義是針對(duì)具體的電路組成開展電路簡(jiǎn)化工作。

2)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹的目的是在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹規(guī)則的前提下，針對(duì)被分析電路以追蹤全部負(fù)載的方式尋找出所有存在的電路通路。根據(jù)電子工程理論[4]，任何一個(gè)電路系統(tǒng)都可以變換為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而網(wǎng)絡(luò)樹是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分。網(wǎng)絡(luò)樹由若干電路通路組成，它們是僅在電源或接地點(diǎn)上與其他樹有共同的連接的網(wǎng)絡(luò)圖。

3)拓?fù)浞治?。任何電路網(wǎng)絡(luò)樹均能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)樹上相鄰節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系抽象概括為5類，稱為5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是直線型、電源拱型、接地拱型、組合拱型和H型(見圖2)，5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)樹。

圖2 網(wǎng)絡(luò)樹Fig.2 Network tree

4)建立線索表。線索表用來識(shí)別電路中的所有可能，分析人員必須識(shí)別出電路正常完成其預(yù)定功能的全部要求和非預(yù)期功能產(chǎn)生的影響。形成線索表相對(duì)簡(jiǎn)潔的方法是結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行組合，確定每種組合的狀態(tài)在電路中是否存在、是否為預(yù)期功能狀態(tài)，存在的、非預(yù)期狀態(tài)的電流通路一般為潛在通路。線索表包括兩類問題：第一類是關(guān)于電路模式的一般特性的問題，即電路電流流向；第二類是其適用性方面的特殊的問題，即電路實(shí)現(xiàn)的功能。

2 接口電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 電子設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)

某電子設(shè)備由設(shè)備1～4組成，設(shè)備1～4通過接口電路實(shí)現(xiàn)連接，接口電路由光MOS固態(tài)繼電器和電阻元器件組成，接口電路和連接關(guān)系見圖3。接口電路的主要功能是離散信號(hào)處于“斷開”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4不工作處于“功能無效狀態(tài)”；離散信號(hào)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4工作處于“功能有效狀態(tài)”。

圖3 設(shè)備接口電路及連接關(guān)系圖Fig.3 Equipment interface circuit and the connection

如圖3所示，接口電路工作原理是在離散信號(hào)處于“斷開”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4接口電路輸入端的發(fā)光二極管處于懸空狀態(tài)不構(gòu)成電流通路，無電流通過發(fā)光二極管，輸出端MOS管無輸入激勵(lì)信號(hào)處于“斷開”狀態(tài)，設(shè)備1～4不工作處于“功能無效狀態(tài)”；在離散信號(hào)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4接口電路輸入端的發(fā)光二極管處于接地狀態(tài)構(gòu)成電流通路，電流通過發(fā)光二極管，輸出端MOS管有輸入激勵(lì)信號(hào)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，設(shè)備1～4工作處于“功能有效狀態(tài)”。根據(jù)接口電路工作原理和電子線路設(shè)計(jì)理論，該接口電路組成簡(jiǎn)潔、連接關(guān)系明確、邏輯關(guān)系正確，可以完成預(yù)定功能。

2.2 出現(xiàn)的問題及分析

該電子設(shè)備進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換試驗(yàn)時(shí)，在實(shí)施上電→斷電→上電試驗(yàn)程序中電子設(shè)備報(bào)故，撤銷試驗(yàn)應(yīng)力后，電子設(shè)備重新上電,故障現(xiàn)象消失。再次施加試驗(yàn)應(yīng)力，執(zhí)行上電→斷電→上電試驗(yàn)程序，電子設(shè)備再次報(bào)故。經(jīng)對(duì)電子設(shè)備檢查不存在硬件/軟件故障。進(jìn)一步試驗(yàn)觀察和分析發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備故障現(xiàn)象為設(shè)備1～4均出現(xiàn)故障，但設(shè)備1處于未工作狀態(tài)，設(shè)備2～4處于工作狀態(tài)但存在故障。對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)一步分析和定位發(fā)現(xiàn)，設(shè)備1～4的離散信號(hào)在未操作狀態(tài)下已處于有效狀態(tài)。由設(shè)備軟件功能分析發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備上電啟動(dòng)階段，在啟動(dòng)BIT軟件運(yùn)行狀態(tài)下，離散信號(hào)“有效”，設(shè)備1～4將報(bào)故。將設(shè)備1與設(shè)備2～4實(shí)施物理隔離，設(shè)備2～4再次實(shí)施上電→斷電→上電試驗(yàn)程序，設(shè)備2～4工作正常。對(duì)設(shè)備1～4按規(guī)定實(shí)施交聯(lián)，但設(shè)備1處于不工作狀態(tài)，此時(shí)對(duì)設(shè)備2～4加電，電子設(shè)備在未施加任何應(yīng)力的情況下報(bào)故。此種故障現(xiàn)象表明，在電子設(shè)備工作期間，如果設(shè)備1出現(xiàn)“斷電”故障，將在設(shè)備1與設(shè)備2～4接口電路之間形成“潛在通路”，離散信號(hào)將出現(xiàn)“非希望狀態(tài)”，從而導(dǎo)致電子設(shè)備執(zhí)行“非期望功能”。

啟動(dòng)BIT運(yùn)行流程見圖4。

啟動(dòng)BIT設(shè)計(jì)過程中，對(duì)電子設(shè)備安全工作有重大影響的2種離散信號(hào)設(shè)置了狀態(tài)“邊界條件”。在啟動(dòng)BIT運(yùn)行階段，邊界條件明確規(guī)定該2種離散信號(hào)需處于“無效”狀態(tài)，如果啟動(dòng)BIT檢測(cè)到該2種離散信號(hào)有效，則啟動(dòng)BIT“報(bào)故”的同時(shí)電子設(shè)備不再執(zhí)行某些重要功能，但該“邊界條件”對(duì)電子設(shè)備工作期間2種離散信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)無效。

2.3 接口電路設(shè)計(jì)分析

根據(jù)對(duì)電子設(shè)備故障現(xiàn)象的分析可知，電子設(shè)備在不存在硬件/軟件故障的前提下，可能會(huì)在某種特定狀態(tài)下(設(shè)備1～4中任一設(shè)備在上電階段，未能正確上電或未要求上電)產(chǎn)生故障，而且該故障是電子設(shè)備中未工作的設(shè)備引起接口電路離散信號(hào)“非正常有效”所導(dǎo)致的。

根據(jù)圖3所示接口電路組成和電子工程理論，設(shè)備1未上電時(shí)，它在電子設(shè)備中等效為電阻(經(jīng)測(cè)試，等效電阻小于1 kΩ)，該等效電阻一端與設(shè)備1接口電路輸入端串聯(lián)電阻上端連接，另一端與電子設(shè)備地連接，電子設(shè)備等效電路見圖5(簡(jiǎn)化的設(shè)備1和設(shè)備2等效電路)。

根據(jù)圖5，在設(shè)備1未加電、設(shè)備2上電的狀態(tài)下，設(shè)備2電源經(jīng)其接口電路輸入端限流電阻、輸入端發(fā)光二極管、設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管(反向)、設(shè)備1接口電路輸入端限流電阻、設(shè)備1等效電阻與地連接，形成電流通路(圖5中虛線為等效電流通路)。在等效電流通路中，重點(diǎn)關(guān)注兩點(diǎn)：1)設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管反向漏電流值大??；2)設(shè)備2接口電路光輸入端發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流值大小。如果發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流指標(biāo)小于反向漏電流指標(biāo)，在該種特定條件下將使設(shè)備2離散信號(hào)處于“有效狀態(tài)”。查閱資料，電子設(shè)備接口電路選用的光MOS固態(tài)繼電器輸入端發(fā)光二極管反向漏電流約為1 mA[5]，正向最小導(dǎo)通電流為0.4 mA[5]。根據(jù)發(fā)光二極管電流參數(shù)和圖5組成，設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管反向漏電流滿足設(shè)備2接口電路輸入端發(fā)光二極管導(dǎo)通需求，使離散信號(hào)在未執(zhí)行規(guī)定動(dòng)作的情況下有效，設(shè)備2進(jìn)入功能有效狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備2報(bào)告故障。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖6為電子設(shè)備接口電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證圖。

采用2種方法對(duì)等效電流通路(虛線)[6]中存在的電流進(jìn)行測(cè)試。方法1：監(jiān)測(cè)測(cè)試電阻上電流形成的電壓值，按式(1)通過計(jì)算獲得等效電流通路電流值；方法2：通過增加測(cè)試電阻值以降低等效電流通路中的電流值，觀察電子設(shè)備上電工作后是否存在故障。

(1)

式中：I為等效通路電流；V為設(shè)備2電源電壓，本文設(shè)為28 V；R1為設(shè)備1限流電阻；R3為設(shè)備2限流電阻；R5為等效電阻；R6為測(cè)試電阻。

采用驗(yàn)證方法1，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 方法1等效通路電流測(cè)試結(jié)果Table 1 Equivalent path current test results of Method 1 mA

通過對(duì)表1測(cè)試數(shù)據(jù)分析，等效電流通路中的導(dǎo)通電流上限不隨接入設(shè)備數(shù)量的變化而變化，只由接口電路輸入端發(fā)光二極管的反向漏電流參數(shù)決定。發(fā)光二極管反向漏電流參數(shù)值和等效電流通路中電流測(cè)試值對(duì)比，兩者基本相符。由于發(fā)光二極管反向漏電流值大于正向最小導(dǎo)通電流值，因此在電子設(shè)備處于設(shè)備1不工作，設(shè)備2上電工作的狀態(tài)下，設(shè)備2在不存在軟/硬件故障時(shí)仍報(bào)故屬于設(shè)計(jì)缺陷。

采用驗(yàn)證方法2，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 方法2等效通路電流測(cè)試結(jié)果Table 2 Equivalent path curent test results of Method 2 mA

按式(1)計(jì)算，使測(cè)試電阻值增大到等效電流通路中的電流值小于接口電路輸入端發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流，此時(shí)，盡管設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管反向漏電流允許值為1 mA，但由于等效電流通路中限流電阻、等效電阻和測(cè)試電阻的作用，等效電流通路中的電流小于發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流，該電流不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，固態(tài)繼電器MOS管輸出端處于“斷開”狀態(tài)，因此，設(shè)備2～4工作正常。

根據(jù)表2，增加測(cè)試電阻值后，設(shè)備2～4接口電路流過等效電路發(fā)光二極管的正向?qū)娏鳌安淮笥?.3 mA”，小于發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流0.4 mA，不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，固態(tài)繼電器處于“截止”狀態(tài)。因此，在設(shè)備1未上電(或斷電)設(shè)定狀態(tài)下，設(shè)備2～4可正常工作。

上述分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)論說明，該典型電子設(shè)備接口電路在特定條件下存在的潛在通路是由接口電路發(fā)光二極管反向漏電流值偏大、反向漏電流和正向?qū)娏鲄?shù)配置不合理造成的。

2.5 接口電路潛在通路分析

由上述分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備1～4之間的接口電路在不同的工作狀態(tài)下，將形成潛在通路并造成電子設(shè)備報(bào)故或執(zhí)行“非期望功能”。因此，以電子設(shè)備接口電路暴露的設(shè)計(jì)問題為例，簡(jiǎn)要介紹電子設(shè)備潛在通路分析情況。依據(jù)潛在通路分析流程，電子設(shè)備接口電路潛在通路簡(jiǎn)要分析如下。

1)電路簡(jiǎn)化。電子設(shè)備由設(shè)備1～4組成，其中，設(shè)備1～4接口電路相同、連接關(guān)系相同，在對(duì)接口電路進(jìn)行電路簡(jiǎn)化時(shí)，以設(shè)備1為例進(jìn)行電路簡(jiǎn)化工作。設(shè)備1接口電路輸入端由發(fā)光二極管、限流電阻和設(shè)備1工作電源采用串接方式組成。根據(jù)“電路原理學(xué)”，該電路已無需運(yùn)用串聯(lián)、并聯(lián)及其他電路原理進(jìn)行簡(jiǎn)化，已達(dá)到最簡(jiǎn)電路狀態(tài)。

2)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹的目的是尋找出所分析電路中全部的電流通路，并將所要電流通路置于電源和地之間。設(shè)備1接口電路輸入端由發(fā)光二極管、限流電阻和設(shè)備1工作電源采用串接方式組成。按圖4所示該電路應(yīng)有正、反兩條電流通路：正向電流通路由設(shè)備1工作電源、等效電阻(限流電阻)、發(fā)光二極管和地組成；反向漏電流通路由設(shè)備2工作電源(設(shè)備2的工作電源與其電流、電阻和發(fā)光二極管的等效電源)、設(shè)備1發(fā)光二極管、等效電阻(設(shè)備1電源等效電阻與其限流電阻組合)和地組成，設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹見圖7。

圖7 設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹Fig.7 Input interface circuit input network tree of Equipment 1

3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹中，根據(jù)發(fā)光二極管主要功能可等效為開關(guān)。由于設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹中的正向和反向漏電流通路均是在一定條件下形成的，因此，設(shè)備1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由正向地和反向電源連接組成，而設(shè)備1和設(shè)備2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合符合圓弧形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，確定設(shè)備1和設(shè)備2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為典型的組合圓弧形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 接口電路網(wǎng)絡(luò)樹Fig.8 Interface circuit network tree

4)建立線索表。線索表是通過對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析而獲得，分析過程中，首先排除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中對(duì)工作狀態(tài)組合無影響的4個(gè)阻抗元器件(R1～R4)，重點(diǎn)分析4個(gè)開關(guān)(S1～S4)狀態(tài)(↑表示斷開，↓表示閉合)的不同組合對(duì)應(yīng)設(shè)備1和設(shè)備2的工作狀態(tài)，明確每種組合下設(shè)備的工作狀態(tài)屬于“正常工作”、“不工作”還是“異常工作”，如表3所示。

表3 線索表Table 3 Clue table

由表3可知，在開關(guān)S1～S4的全部16種組合中，有2種組合存在潛在通路。第1個(gè)潛在通路是S1斷開S2，S3，S4閉合的狀態(tài)組合，在此組合下，設(shè)備2等效為接地電阻；第2個(gè)潛在通路是S3斷開S1，S2，S4閉合的狀態(tài)組合，在此組合下，設(shè)備1等效為接地電阻。對(duì)電子設(shè)備接口電路進(jìn)行分析，判斷2個(gè)潛在通路是否真實(shí)存在，通過電路分析可知，2個(gè)潛在通路是否存在的關(guān)鍵是接口電路輸入端發(fā)光二極管的反向漏電流的大小，如果反向漏電流大于正向最小導(dǎo)通電流，則潛在通路真實(shí)存在，反之則不存在。電子設(shè)備接口電路輸入端反向漏電流大于正向最小導(dǎo)通電流，分別引起設(shè)備1和設(shè)備2的非預(yù)期工作，證明潛在通路真實(shí)存在。

2.6 小結(jié)

通過上述對(duì)電子設(shè)備接口電路的組成、出現(xiàn)的問題、原因分析和解決措施的介紹，可以確定該接口電路在設(shè)計(jì)、元器件使用和可靠性分析方面存在如下問題：

1)設(shè)計(jì)方面由于設(shè)計(jì)人員對(duì)如何適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)電子設(shè)備之間連接缺乏全面的考慮，導(dǎo)致交聯(lián)電子設(shè)備分別處于不同狀態(tài)時(shí)形成不希望有的通路，該通路的存在引起電子設(shè)備功能異常；

2)元器件使用方面由于設(shè)計(jì)人員只注重于光MOS固態(tài)繼電器功能參數(shù)(包括正向?qū)娏?、?dǎo)通電壓、耐壓、隔離和通/斷等)，而未對(duì)輔助參數(shù)(主要是反向漏電流)給予同等重視，致使光MOS固態(tài)繼電器輸入端發(fā)光二極管反向漏電流值大于正向?qū)娏髯钚≈?，從而?dǎo)致電子設(shè)備在不同狀態(tài)下出現(xiàn)非規(guī)定功能狀態(tài)并報(bào)故，應(yīng)該說，在電路設(shè)計(jì)中針對(duì)元器件的使用，重視元器件重要功能參數(shù)而輕視輔助參數(shù)的現(xiàn)象較為普遍，通過對(duì)該電子設(shè)備接口電路的分析應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視；

3)可靠性分析和可靠性評(píng)估重視不夠，未開展電子設(shè)備可靠性分析與評(píng)估工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

潛在通路對(duì)電子設(shè)備(或武器系統(tǒng))的危害是毋庸置疑的。鑒于潛在通路具有較深的隱蔽性、非常規(guī)形成性、非常規(guī)狀態(tài)產(chǎn)生性和危害巨大等特點(diǎn)[7]，建議在電子設(shè)備或關(guān)鍵電子電路設(shè)計(jì)中應(yīng)開展?jié)撛谕贩治龉ぷ鳎韵娮釉O(shè)備中可能存在的潛在通路，保證電子設(shè)備的可靠性和安全性。本文通過對(duì)典型電子設(shè)備接口電路在設(shè)計(jì)和潛在通路分析方面的介紹，說明潛在通路分析在解決潛在通路對(duì)電子設(shè)備可靠性和安全性影響方面發(fā)揮重要作用，提醒設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分重視潛在通路分析工作，并將潛在通路分析工作落到實(shí)處，以有效提高電子設(shè)備的可靠性和安全性。