1、基于Saber的电路容差分析方法刘维罡北京航空航天大学，北京100083摘要文章首先介绍了可靠性设计的基本技术之一的容差分析的意义及整体流程，进而详细论述了客差分析技术的棼特卡罗分析扣最坏情况分析酌基本原理提出了应用Saber软件进行电路容差分析的方案，研充了电路参数偏差的容差分析并以实例证明谊方案的可行性关键词可靠性容差分析仿真引言可靠性系统工程起源于军事领域，现在已经扩展到包含可靠性、测试性。维修性，安全性、保障性等的一门综合性新学科。在系统性能设计的同时，进行有效的可靠性分析工作，把产品的可靠性问题解决在设计阶段成为极其具有工程意义的瀑题。容差分析技术是一种预测电路性能参数稳定性的方法。
2、对于精度要求高的复杂系统，性能稳定性问题在系统可靠性中占有很重要的地位。容差分析是GJB450的一个重要工作项目，应从设计早期初步电路图给出时开始，在进行电路容差分析之后，发现不能满足性能要求或电路参数设计存在缺陷在设计初期阶段就对电路进行改进，电路修改之后再次进行容差分析。直到符合系统性能要求为止。因此容差分析技术是可靠性设计的基本技术之一，是保障电路正常工作及实现其现场可靠性指标的重要途径，在系统可靠性中占有重要的地位。系统性能不稳定或发生漂移、退化的原因有三种o】：一是组成系统的元器件参数通常是以标称值表示的，实际却存在着公差。忽略公差，电路参数可能超出允许范围，发生参数偏差：二是环境条
3、件，如温度的变化会使电子元器件参数发生漂移：三是退化效应，随着时伺的积累，电子元器件参数会发生变化。一般来说，第一个原因产生的参数偏差是固定的；第二个原因产生的偏差是在多种情况下是可逆的，即随着条件而改变，参数可能恢复到原来的数值：第三个原因产生的偏差是不可逆的。对容差分析不合格的电路解决方法：其一、全部采用低公差、高稳定性元器件。其二、对元器件区别对待。只对其中影响系统参数大的元器件提出低公差、高稳定的要求，而对那些影响不大的元器件，则采用一般精度的元器件。窖差分析技术常用的仿真方法需要建立具体电路的数学模型，不但计算复杂，工作量巨大，而且电路模型不能通用因此大大限制了容差分析技术在工程实际
4、中的应用。Saber软件提供了基于windows平台的集成设计环境，大大减轻了建立电路模型的工作量和避免了对复杂运算的处理。在此基础上进行电路容差分析技术更具有实际意义。I容差分析的整体漉程进行元器件和电路的容差分析是为了消除由于产品所用元器件容差的积累使得电路、设备的输出超出规定值而无法使用导致产品故障的现象发生。因此，尽量在设备的设计阶段及早采取110容差分析措施进行有效的解决，其整体流程例如图1所示：基于Saber仿真软件进行容差分析首先要确定待进行容差分析的系统电路，特别是系统核心的关键电路，其中主要包括：严重囤幄驰灌惨圆 LH影响产品安全性的电路；严重影响任务完成 图1容差分析的整体
5、流程的电路：昂贵的电路；采购或制作困难的电路；需要特殊保护的电路等。电路设计的有关基线包括：被分析电路的功能和使用寿命；电路性能参数及偏差要求；电路使用的环境应力条件(或环境剖面)；元器件参数的标称值、偏差值和分布；电源和信号源的额定值和偏差值：电路接口参数等。对电路进行分析，得出在各种工作方式下电路的性能参数、输入量和元器件之间的关系。根据已确定的待分析电路的具体要求和条件，适当选择一种容差分析方法：求出电路输出性能参数的偏差范围，找出对电路输出性能敏感度影响最大的参数并进行调整控制，使电路满足要求。把容差分析所得到的电路性能参数的偏差范围与电路性能指标要求相比较，如果符合要求，则分析结束；
6、若不符合要求，要重新选择电路组成部分参数或其精度等级或更改原电路结构，并进行容差分析，直到满足要求为止。2容差分析方法的原倒21容差分析大体上可以归纳为两种方法：一种是基于统计的方法。一批产品中每个元器件的参数实际偏离标称值的量并不能确切知道，只能知道它们的偏离范围和各个参数的随机分布规律信息，通过已知的元器件参数的随机分布规律。可以利用统计方法去计算电路特性的分布规律，蒙特卡罗分析就是属于这种统计抽样的方法。电路容差分析中的蘩特卡罗法是当电路组成部分的参数服从某种分布时，由电路组成部分参数抽样值分析电路性能参数偏差的一种统计分析方法。第二种最坏情况分析方法是一种非概率统计方法，用来分析在电路
7、组成部分参数最坏组台情况下的电路性能参数偏差，找出在参数给定限制变化情况下电路或系统的最坏可能输出。(1)蒙特卡罗法的主要步骤有构造概率模型、实现从已知概率分布的抽样和建立各种统计量的估计。具体做法是：按电路包含的元器件及其它有关量的实际参数x的分布，对x进行第一次随机抽样x-，该抽样值依次记作(Xj，墨0，并将它代入性能参数表达式，得到第一个随机值，如式(1)所示：YI=f(Xl，X) (1)如此反复n次，得到n个随机值，从而就可对Y进行统计分析，求出不同容许偏差范围内Y的出现概率。进行蒙特卡罗分析法时，抽样次数n必须满足统计分析酌精度要求。(2)最坏情况分析方法利用已知元器件的变化极限来预
8、计系统性能参数变化是否超过了允许范围。如果预计的系统性能参数在规定的范围内，那么就可以确信该系统有较高的稳定性：如果预计值超出了规定的允许变化范围，那么就可能发生漂移故障。最坏情况分析方法简便、直观，但分析的结果偏于保守。电路组成部分参数晟坏组合情况下的具体做法是：将偏导数为正的电路组成部分参数及输入量的上偏差，偏导数为负的电路组成部分参数及输入量的下偏差代入网络函数中，求出电路性能lll参数的上限值：将偏导数为正的电路组成部分参数及输入量的下偏差，偏导数为负的电路组成部分参数及输入量的上偏差代入网络函数中，求出电路性能参数的下限值。3基于Saber的分析实例Saber最早是针对电源设计领域开
9、发的可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真，拥有大量的电源专用器件和功率电子器件模型，并提供高精度的电路仿真模型单元库，它在电源设计仿真领域处于领先地位；同时Saber软件在机电一体化设计、分析方面也都有不俗的表现，其对象可广泛应用于电力、电子、航空、运输、家用电器以及军事等领域。31电路模型总体介绍进行基于Saber的容差分析9J，首先在Saber软件的建模环境中搭建待分析电路的模型，如图2所示，电路是由R1、R2、Ll、C1以及v_pulse(电路的激励源，其波形如图3所示)组成。图2典型电路在sab盯环境中的建模 图3 电路的激励源v_pulsevpul
10、se幅值设定为lv，方波周期为100uS占空比为50。32蒙特卡罗分析方法Saber软件方便、快捷的支持对电路的蒙特卡罗分析(Monte Carlo Analysis)，在电路模型参数值的浮动范围内随机取样(取样点数可由分析用户自由设定)，对所取的参数值进行分析，检验器件参数在一定范围内浮动的情况下对输出响应的影响。在Saber中进行蒙特卡罗分析要与其它分析(如瞬态分析)结合进行如果需要还可以进行多熏蒙特卡罗分析或蒙特卡罗与参数扫描互相嵌套分析。蒙特卡罗仿真器的设置参数主要有以下三个部分：(1)运行分析操作的次数，这由分析人员按照统计分析的精度要求和目标电路自由决定。(2)模型随机取样点获取方
11、式，即选择如何确定扫描分析的起点。(3)选择电路中需要进行扫描的模型参数。图2所示电路，实际中元器件参数都存在公差，本例仅以简单的单参数扫描说明Saber软件在蒙特卡罗分析方法中的应用，其性能参数设置如下：R、=1(30Q；R2=lkQ：C1=luF,电感L1为电路中需耍进行扫描的参数，电感值为25mH。偏差范围为1分布类型为正态分布。蒙特卡罗分析精度与抽样次数直接相关，抽样次数直接在参数运行分析操作次数按照需要输入设定。假设本例100次抽样已经满足统计精度要求，则为电感Ll运行操作次数设定为100次(即runs：100)。对该电路进行仿真运行之前在蒙特卡罗分析的内层必须要添加直流工作点分析和
12、瞬态分析循环。仿真时问3mSt响应基本进入稳态为了保持精度，步长没为10nS。输“：波形是仿真后得到的loo条电压响应曲线如图4所示：对图4进行蒙特卡罗分析得到图5(蒙特卡罗分析图)，分析图的下图为电压响应曲线进入稳态测得的稳态值的分布，横坐标为100条响应曲线对应的稳态值统计点纵坐标是输出电压值：图5上图是输出电压幅值的直方图，横坐标是电压输出稳态幅值，纵坐标是各稳态电压输出对应的抽样百分比，从直方图可求得电路输出电压信号均值为0-46370V。：!；烈y； ko 、I正f；o”125m”5 o”225 o 00：75 o”5圈4电路输出波形以电压输出范围控制在O4636V04638V为电路
13、稳定标准。根据公式(2)和图5所示蒙特卡罗分析图在100次抽样中，系统性能值落在允许范围的次数为96，得到系统性能可靠度R为O96。： ： ： ： ： ：ji一。-。一j 一 ； ；n! !图5蒙特卡罗分析鹭在n次抽样中，系统性能值落在允许范围的次数为m，R：旦n则系统的性能可靠度可以表示为这样从电路的稳定性出发，通过蒙特卡罗分析，根据电路信号输出的有关曲线过抽样结果得到电路的可靠度。4结束语(2)可以轻松通容差分析是电路系统可靠性设计与分析的一个重要环节，通过Saber软件进行容差分析技术和方法的应用研究，可以实现在电路设计阶段与电路设计并行进行参数偏差分析，并得到系统性能ni靠度以及电路参
14、数变化对性能的影响，由此为电路可靠性设计提供了一种有效方法。113；。毛。参考文献UI国防科学技术工业委员会电略容差分析指南【M北京：翟防科工委军标出版发行部，199721石君友康锐基于EDA技术的电路容差分析方法研究啊北京航空航天大学学报2001(1)pp：121124【3l赵细云，曾杰军，钱慰军等电路的窖差分析仿真及其在电路设计中的应用伽电子工程师工8(11)：pp：54-56作者简介：刘维罡_(1979-)，男，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院博士生，研究方向为检测技术与自动化装置e-mail：adou79aseebuaaeducn电话01082315688 通信地址：北京航空航天大学学生公寓11楼212室邮编：100083114
