CN104794282A - 一种航空电子装置电源模块的电磁兼容可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

一种航空电子装置的电源模块的电磁兼容可靠性(Electromagnetic Reliability,EMR)评估方法，该方法有五大步骤：信息收集；仿真分析；硬故障EMR评估；累计故障EMR评估；综合EMR评估。本发明是从故障机理的角度，研究电磁效应的作用机制，并利用仿真技术，结合应力-强度干涉(SSI)模型及概率故障物理(PPoF)的方法，针对航空电子装置电源模块电磁兼容相关的可靠性展开了详细研究，提出一套基于仿真分析的，评估航空电子装置电磁兼容可靠性的方法，使设计者能够在设计阶段就对产品的EMR水平有直观的了解，从而为产品的设计改进提供参考依据。

Description

一种航空电子装置电源模块的电磁兼容可靠性评估方法

技术领域

本发明提供一套基于仿真的，评估航空电子装置的电源模块电磁兼容可靠性(Electromagnetic Reliability,EMR)的方法，属于产品可靠性领域。

背景技术

随着信息时代的到来，电气化与自动化水平不断提高，电子产品向微型化、集成化、大功率、高频、高速、高灵敏度的方向发展，我们周围的电磁环境越来越复杂。这些电子设备都在向外界发射着各种有用或无用的电磁波，对其他电子设备的正常工作产生干扰。作为当前最主要、最灵活的电子对抗平台，航空电子装置的种类和数量与日俱增，占用的电磁频谱越来越宽，发射功率也越来越大，灵敏度要求越来越高，加之机载平台空间有限，形成了复杂而恶劣的外部电磁环境；另一方面，航空电子装置的功能日趋丰富，内部微电子元器件和线路增多，走线宽度越来越窄，再加上信号频率突增，边沿也越来越陡峭，就又构成了恶劣的内部电磁环境。这种内忧外扰的电磁环境使航空电子装置的电磁兼容问题越来越突出。

目前，电磁兼容问题受到了全球各国的重视，美国、德国、日本等国家在电磁兼容研究和应用领域均达到了较高水平。在理论上，提出各种精确及近似求解算法，并嵌入到商业软件中，利用计算机进行高速计算仿真；在工程上，不仅从电路、结构、工艺和安装等各个角度提出消除和削弱电磁干扰的措施，还制定了相关标准规范。

但是传统的产品设计都是依据工程师的丰富经验，并利用示波器等工具进行功能验证，对于产品电磁兼容性测试则只能送到专业电磁兼容测试机构，花费成本高，研发周期长，且不适用于新产品的研发。通常来说，电磁兼容性测试报告只能给出产品是否通过测试的结论，无法洞察问题产生原因，只能凭借技术人员的经验来解决出现的电磁兼容问题，具有一定的盲目性，对人员技术要求较高，且费时费力。因此，产品设计人员开始关注建模仿真，在设计阶段就能够预测潜在电磁兼容性故障，及时修改产品设计。

总的来说，航空电子装置的电磁兼容性虽逐步受到重视，但目前常见的电磁兼容性评估，往往是通过仿真或测试等方法找到故障发生位置，无法明确给出可靠性指标值。

发明内容

针对现有技术无法明确给出作为电子装置的电磁兼容性设计及优化重要参考的EMR指 标值的缺点，本发明的目的在于提供一套评估航空电子装置的电源模块的电磁兼容可靠性的方法，具体地，基于电磁兼容仿真技术，并将SSI(Stress Strength Interference应力-强度干涉)理论和PPoF(Probability Physics of Failure概率故障物理)方法融入到电磁效应分析中，进而获得航空电子装置电磁累积损伤的EMR指标，建立了电磁应力与可靠性指标间的定量关系，直观把握产品的EMR水平，为产品的电磁兼容性设计及优化提供参考依据。

本发明的航空电子装置电源模块的电磁兼容可靠性的评估方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：信息收集，包括：

a.收集电源模块硬件及工作条件信息；

b.建立电源模块与电磁兼容相关的故障信息矩阵，故障信息矩阵包括故障机理及对应的故障物理模型；

c.从故障信息矩阵中选择故障前时间最短的故障机理作为主故障机理，获得其对应的主

故障物理模型；

d.确定与电场辐射以及主故障机理相关的特征参数及分布；

步骤二：电源模块电磁兼容的仿真分析，包括以下子步骤：

a.根据步骤一收集的硬件及工作条件信息，建立电源模块的仿真模型；

b.选择所述仿真模型中要分析的目标走线，对其进行分析设置；

c.对电源模块进行信号完整性、电源完整性、电磁场分布及远场辐射的仿真求解；

步骤三：硬故障电磁兼容可靠性评估，包括以下子步骤：

a.对步骤一中确定的所述特征参数按照其分布进行蒙特卡洛抽样；

b.将获得的特征参数抽样数据输入步骤二中建立的仿真模型，经多次计算获得在多个频点上的多个最大电场强度值，并拟合出其分布；

c.以多个频点上的最大电场强度分布作为SSI模型中的应力分布，将国标规定的场强限值作为SSI模型的强度，进行可靠度求解，并绘制出频率-可靠度曲线图；

d.根据频率-可靠度曲线图获得电源模块工作频率条件下的硬故障电磁兼容可靠度值；

步骤四：累积损伤电磁兼容可靠性评估，包括以下子步骤：

a.选择与硬故障电磁兼容可靠性评估中相同的特征参数样本，在多个频点上分别进行建模仿真求解获得目标走线上的电磁物理参数；

b.将得到的多个电磁物理参数代入前述主故障物理模型中，得到电源模块在该电应力

条件下的多个失效时间，对其进行分布拟合，获得可靠度函数；

步骤五：综合电磁兼容可靠性评估，以该电源模块工作频率条件下的硬故障电磁兼容可靠度值与累积损伤型电磁兼容可靠度函数的乘积作为该电源模块的综合电磁兼容可靠度。

优选地，其中步骤一中所收集的硬件及工作条件信息包括电源模块电路板的功能、工作应力条件，电路板上的组成元器件清单，电路板和元器件的结构、材料、工艺参数、引脚信息、焊点以及过孔信息。

优选地，其中步骤一中的所述故障机理包括电迁移、二次击穿、热载流子效应、栅氧化层击穿以及过热烧毁。

优选地，其中步骤一中所述的主故障机理为电迁移。

优选地，其中步骤一中确定的特征参数为电源模块电路板及元器件的相对介电常数，其服从正态分布。

优选地，其中步骤二中的所述分析设置包括：对所选走线添加激励源端口，设置仿真模型的背景材料和边界条件，设置网格参数、求解目标、工作频率及模型的扫频响应，设置监视器。

优选地，其中步骤二中所述仿真求解包括：

1)对信号完整性进行仿真，分析由高频电路电磁应力造成的信号串扰、干扰问题对电路板信号完整性产生的影响，得到信号眼图；

2)对电源完整性进行仿真，分析得到电源阻抗和电源电压降；

3)分析走线信号产生的电磁场，仿真电路板的场辐射，得到电路板的电场分布、磁场分布、表面电流以及远场辐射。

优选地，其中步骤四中所述的电磁物理参数为目标走线上的表面电流。

综上所述，本发明的技术思路在于：首先从故障物理的角度，研究电磁效应的作用机制，建立起一个电磁环境下电源模块故障信息矩阵，然后给出了电磁兼容仿真具体工作，包括建模、条件设置、求解及后处理、设计优化等内容，其仿真结果将被用于电磁兼容可靠性评估。然后结合之前得到的故障信息矩阵、仿真结果和蒙特卡洛抽样，提出两种评估EMR的方法。 一种针对具有概率性的硬故障，利用SSI理论，获得产品的可靠度指标；另一种方法则针对具有退化性的损伤故障，利用PPoF方法，建立概率故障物理模型，来获得产品的可靠性指标。最后，综合两种可靠性指标提出综合EMR评估指标。

本发明具有以下优点：

1.本发明通过将故障物理与电磁兼容问题相结合，从物理、化学等微观层面去研究电磁兼容性故障发生的根本原因及电磁应力的作用，有助于深入理解电磁应力的作用机制。进一步来说，除对电磁故障有了定性把握之外，本文还给出了描述相关机理的故障物理模型，并挖掘模型中包括电磁应力在内的各电磁物理参数的意义及分散性，充分考虑结构、材料、工艺等特征参数对故障发生造成的不确定性影响，这就给出了电磁故障的定量描述，最终建立起完整的电磁相关的故障信息矩阵。

2.本文给出了一套完整的电磁效应相关的仿真分析方法，从建模到边界条件的设置，再到求解域的定义及算法选择，最后仿真求解的全过程，获得各种电磁兼容性能信息，从而确保仿真结果真实可靠。

3.目前常见的电磁兼容性评估，往往是通过仿真或测试等方法找到故障发生位置，无法明确给出可靠性指标值，而该指标能够为产品的电磁兼容性设计及优化提供极为重要的参考。因此，本文提出了一套计算电磁兼容可靠性指标的方法，此法结合了电磁兼容仿真技术，并将SSI理论和PPoF方法融入到电磁效应分析中，建立了电磁应力与可靠性指标间的直接关系，为直观把握产品的EMR水平提供方法，为产品的设计改进提供参考依据。

附图说明

本申请包括以下附图，其中：

图1是本发明实施例电源模块工作原理示意图。

图2是本发明方法流程框图。

图3是本发明实施例电源模块电磁兼容仿真流程图。

图4是本发明实施例电源模块板图。

图5是本发明实施例电源模块仿真模型图。

图6是本发明实施例电源模块信号眼图。

图7是本发明实施例电源模块阻抗曲线图。

图8是本发明实施例电源模块走线的压降图。

图9是本发明实施例电源模块电路板的电场分布图。

图10是本发明实施例电源模块电路板的表面电流分布图。

图11是本发明实施例电源模块远场辐射图。

图12是本发明实施例电源模块的电场分布图。

图13是本发明实施例电源模块仿真得到的电场分布SSI模型图。

图14是本发明实施例电源模块拟合的频率-可靠度的曲线。

图15是本发明实施例电源模块电流-相对介电常数曲线。

图16是本发明实施例电源模块用Matlab进行威布尔分布检验得到的威布尔概率图。

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。

本发明实施例选择直流隔离式开关电源模块作为电磁兼容可靠性评估对象，该电源模块主要包括高效隔离式开关电源用集成电路、三端可调分流基准源、单相整流桥和线性光电耦合器。图1显示了直流隔离式开关电源的工作原理示意图，其主电路功能实现的过程大致为，高压工频交流电经过整流滤波后变成高压直流电，再经信号调制变为高压高频交流电，然后经隔离式变压器变成低压高频交流电，最后整流滤波，输出具有高稳定性高品质的低压直流电。

针对电源模块的电磁兼容可靠性评估方法按照如图2所示的流程进行，主要包括确定电源模块的主故障机理及其对应的故障物理模型、电磁兼容仿真、硬故障EMR评估、累计损伤故障EMR评估和综合EMR评估。下面将结合该直流隔离式开关电源模块对本发明的电磁兼容可靠性评估方法进行详细描述。

步骤一、信息收集

信息收集是本方法的第一步，收集到的信息是后续仿真工作和评估工作的基础，其完整性和准确性直接决定了最后仿真和评估结果的准确性，因此十分关键。

收集的信息主要包括三部分：收集电源模块的硬件和工作条件信息、建立故障信息矩阵确定主故障信息、以及确定特征参数及分布。

首先，收集电源模块的硬件和工作条件信息，收集的途径主要有查阅相关手册、实物测试和虚拟仿真三种。需要收集的内容主要包括电路板的功能，工作应力条件，组成元器件清单，板和元器件的结构、材料、工艺参数、引脚信息以及焊点、过孔信息等。本实施例的电 源模块中的电路板长约152mm，宽102mm，板厚为18.2mil，两层金属层一层介质层，外加上下两层阻焊层。板上几个重要元器件的功能如下：

TNY223，高效隔离式开关电源用集成电路，是TinySwitch-III系列集成电路产品，其上集成了一个高压功率MOSFET开关及一个电源控制器。该控制器包括一个振荡器、稳压器、使能电路、过热保护、电流限流选择电路、电流限制电路，限流状态机，前沿消隐电路和一个700V的功率MOSFET管。与脉宽调制控制器不同，它使用简单的开关控制方式来输出稳定电压。

TL431，三端可调分流基准源，其输出电压可通过调整电阻比值来设置，可以稳定在参考端电压到36V范围内的任意值。

2kbp10m，单相整流桥，作用是整流，把交流电变为直流电，特点是方便小巧。其实质就是把四个硅二极管接成桥式整流电路，然后封装在一起，并用塑料包装起来，引出四个脚，其中两个脚接交流电源，用～～符号表示，另外两个脚则为直流输出，用+-表示。

Pc817，线性光电耦合器，常常在要求比较精密的功能电路中作耦合器件，具有隔离上下级电路的作用，使前端与负载完全隔离，增加线路安全性，减小电路干扰。普通的光电耦合器只能传输数字信号，而线性光电耦合器则能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。

其次，故障物理分析，包括确定电源模块的故障机理及其对应的故障物理模型，建立故障信息矩阵，确定主故障机理及相应的主故障物理模型。

故障物理模型是针对故障机理，在基本物理、化学、电学公式或经验回归公式的基础上，建立起来的定量地反应失效发生时间与材料、结构、应力等关系的数学函数模型。本方法首先要调研与电磁兼容相关的故障机理，在物理、化学等微观层面对电磁兼容性故障发生的根本原因及电磁应力的作用进行研究，确定电源模块故障机理包括以下五种：

1)电迁移

在器件向亚微米、深亚微米发展后，金属化的宽度不断减小，强电磁场耦合到电路中，产生大的电流密度，大电流造成的强电势差会在金属互连线上产生很大的机械应力梯度，引起金属离子移动，在走线内形成孔隙或裂纹，最终造成金属化连线开路或短路，使器件的漏电流增加，可见，电磁场引起的电迁移会影响线路的可靠性。

2)二次击穿

二次击穿是微波半导体器件最常见的ESD(Electro-Static discharge静电放电)损伤现象。同样地，强电磁场耦合到电路中，产生大的电流密度，引起局部温度升高，这又进一步使得电流密度增加，温升继续提高。当器件的局部温度超过半导体材料的熔融温度时，会引起PN结失效。如果温度足够高能够熔化邻近接触孔的金属时，熔化的金属就会在电场的作用下在结间迁移，导致结间的电阻短路。

3)热载流子效应 

外界强电磁场耦合到线路中，形成大电流，当功率器件沟道横向电场或漏极附近电场很强时，由源极产生的电子在通过强电场区域后，即成为热电子(即热载流子)，引起碰撞电离，产生更多数量的电子空穴对，这样产生的热载流子为漏极雪崩热载流子。部份漏极雪崩热载流子能够克服硅-二氧化硅界面势垒，而注入栅极二氧化硅膜，使其产生陷阱和界面能级，并使阈值电压发生变化。这种效应会使氧化层电荷增加或波动不稳，从而引起器件的电参数性能退化，使器件衰变。与漏极雪崩热载流子同时产生的空穴，在强栅场作用下进入衬底，形成衬底电流，引发闩锁效应。且在最大时，由漏极雪崩热载流子引起器件的性能退化最为显著。

4)栅氧化层击穿 

当电压超过了栅氧化层的击穿电压时，ESD会导致MOS器件栅氧化层破裂(对双极型器件，击穿主要发生在器件体内)。大电流通过击穿点，导致局部加热，且常常在栅破裂位置产生金属硅合金，形成贯穿栅极的短路电阻。短路可以使栅极到漏极短路，也可以使栅极到源极短路或栅极到衬底短路，这取决于氧化层结构和缺陷。在无缺陷的氧化层中，ESD损伤最有可能发生在源极或漏极，这取决于瞬态极性和器件的偏压。PN结的ESD损伤通常发生在反偏条件下，表现为PN结的特性退化。

5)过热烧毁

现代微波半导体器件中通常含有许多金属条结构，用于器件内部的连接或器件与引脚的连接。在电磁脉冲过程中产生的电流和能量，能够促使微波半导体器件的温度迅速升高，当温度达到足够高时，会使金属薄膜及键合引线烧熔甚至汽化，从而导致开路。且由于现实工艺水平的限制，很难实现均匀的金属化层，因此很容易引起局部电流聚集和局部过热。

通过查阅手册文献，确定电源模块与电磁兼容相关的故障机理及对应的故障物理模型，将故障机理、故障物理模型等信息加以汇总整合，建立起电磁兼容相关故障信息矩阵，如表1所示。

在本方法中采用Cacle PWA软件(由美国马里兰大学的CALCE中心研发，主要研究电子 元器件故障物理)分别计算故障机理为电迁移、二次击穿、热载流子效应、栅氧化层击穿、过热烧毁的电源模块故障前时间。经过对比，在电迁移故障机理作用下故障前时间最短，说明电迁移对电源模块发生故障的影响最大，由此确定电迁移为此电源模块的主故障机理。

表1故障物理模型表

在故障物理模型中存在很多结构尺寸、材料属性及电应力等参数，受加工质量、工艺控制以及环境应力等因素的影响，这些参数具有一定的随机性，而服从某种分布，如表2所示。特征参数分散性对故障的发生造成不确定性影响，所以在本评估方法中考虑这些特征参数的影响，给出各特征参数的参数分布。电场辐射与材料的相对介电常数相关，而且本方法前述的步骤中确定的主故障机理为电迁移，电迁移的发生与电路板材料的介电性能相关，因此确定后续仿真分析中重点关注的特征参数为此电源模块电路板的相对介电常数，其服从正态分布。

表2模型参数分布表

步骤二、仿真分析

针对航空电子装置直流隔离式开关电源模块进行电磁兼容可靠性仿真分析的流程如图3所示。

根据收集的信息，建立电路板的仿真模型，对信号完整性、电源完整性、电路板的电场分布、磁场分布、表面电流以及远场辐射进行仿真分析。选择这些方面进行仿真分析的原因有三点：

1)设计电路的本质是通过走线里流动的电路信号来实现某种特定的功能，信号质量是我们关心的首要问题。因此，要对信号完整性(SI)进行仿真，分析由高频电路电磁应力造成的信号串扰、干扰等问题对电路板SI产生的影响，最终得到信号眼图等结果。

2)稳定的供电电压是电路板正常工作的基本条件，电源的波动会给整个电路板带来致命的影响。电源完整性会直接影响信号完整性和电磁干扰与辐射，很多情况下，引起信号产生畸变的主要原因都来自于电源***。因此，要对电源完整性(PI)进行仿真，分析电源阻抗和电源电压降(IR-drop)。

3)电路板的电磁干扰与辐射是本文关注的焦点，因此，要分析走线信号产生的电磁场，仿真电路板的场辐射，最终得到电路板的电场分布、磁场分布、表面电流以及远场辐射等结果。

在针对本实施例中的电源模块实施本方法时，在Altium Designer软件(来自Altium公司)中创建一个新项目，依照产品的电路图完成其原理图的绘制，给各组成元件添加封装，然后保存并生成网络表；利用生成的网络表，放置各组成的元器件，进行布线和层设置，完成电路板图。针对本实施例中电源模块建立的开关电源模型板图如图4所示。图4中的C1、T2构成EMI滤波器，D1和C5、C6对输入交流电压进行整流滤波，DV1和D2用于消除因变压器漏感而引起的尖峰电压，IC1是一个内置MOSFET的开关控制器芯片，型号是TNY223，它接受输出反馈并控制整个电路的工作，是该开关电源电路的核心器件。D4、C9、C10和D5、C12、C13是次级整流滤波电路，L1、C11、C15和L2、C14、C16分别组成低通滤波器以降低输出纹波电压。R7和R9、R10是输出取样电阻，通过两者的分压决定TL431的REF端电压，从而来控制TL431从阴极到阳极的分流，而这个电流又直接驱动线性光耦Pc817的发光部分。因此，当输出电压有变大趋势时，REF端电压随之增大，导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就相应增大。TNY223在接受到这个变大的反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，使得输出电压回落。

将该板图导入CST仿真软件(来自德国CST股份公司)，建立电磁兼容仿真模型如图5所示。选择要分析的目标走线，选择对其添加激励源端口；设置仿真模型的背景材料和边界条件；设置网格参数、求解目标、工作频率及模型的扫频响应；为在后处理时能显示出需要的结果，还需要设置相应的监视器。针对本实施例中电源模块，背景材料设置为normal，边界条件为open(add space)，求解频率范围是0～4GHz，根据查阅本领域电源模块相关设计手册，选择对电磁辐射最为敏感或对环境电磁辐射影响最大的走线作为分析走线，对本实施例的直流隔离式开关电源模块来讲，确定分析走线为NETC5_1和NETC3_2，在每条走线两端分别设置2个激励端口：port1、port2和port3、port4。下文仅针对NETC5_1进行分析评估。对该电源模块的整体评估而言，需要对这两条走线分别进行分析评估，由于二者方法相 同，因此本文不再对NETC3_2的分析评估过程进行详细描述。

完成分析设置后，开始对电源模块进行信号完整性、电源完整性、电磁场分布及远场辐射等仿真求解，后处理得到电源模块的散射参数、信号眼图、电场分布、磁场分布、表面电流、远场辐射情况等相关信息。以本实施例中电源模块电路板的走线NETC5_1为例，经过仿真求解后可以得到以下信息：

1)如图6所示，眼图“眼睛”张开较大，线迹较为清晰，由于张开的大小反映了码间串扰和干扰噪声的强弱，因此可见该走线受到的串扰和干扰较小。

2)在电源分配***(PDN)中，常通过并联去耦电容来降低电源阻抗，使得噪声或信号能找到低阻抗回流路径，避免因回路阻抗过高而造成的辐射发射。由可图7知，在0～2GHz频率段，阻抗值整体较低，基本远小于7Ω，只有在0.67GHz处的阻抗稍高，大约为6.2Ω。

3)从图8中可以看出，电源内阻的损耗很小，可以忽略，走线的压降也可以忽略不计。

4)如图9-10所示，通过电路板的电场分布图、磁场分布图和表面电流分布图，可以得到在2GHz频率下电路板的最大电场值78.49V/m(图9a))，最大表面电流值2.3A(图10a))，在4GHz频率下电路板的最大电场值33.99V/m(图9b))，最大表面电流值3.6A(图10b))，为后面的EMR评估提供输入。还可以观察出添加激励信号的走线对其他走线信号的影响，指导电路板的布局设计。图中的箭头即为激励端口，蓝色为电路上的元器件，其余的星星点点即为电场，磁场或表面电流场分布情况。可见，在激励走线周围的走线容易受到影响，但并不是很明显。

7)如图11所示，可以分析出信号走线对周围空间的辐射情况，判断出产生辐射最大的方向及增益幅值，增益幅值越大，表示天线辐射的方向性越强，辐射传播越远。从11a)图中可以得知，走线NETC5_1在2GHz频率下的天线增益为4.474dBi。从11b)柱状图中可以得知走线NETC5_1在2GHz频率下，距离电路板中心轴线0.5m处电场分布情况。

步骤三、硬故障可靠度评估

基于对电源模块的仿真分析结果，对该电源模块进行硬故障EMR评估,以获得电源模块的硬故障可靠度。具体而言，根据步骤一故障物理研究得到的特征参数及分布，对特征参数进行蒙特卡洛抽样，即对电路板材料的相对介电常数按照正态分布进行蒙特卡洛抽样。将获得的特征参数抽样数据输入步骤二中建立的仿真模型，经多次计算获得在各个频点上的n个最大场强值，并拟合出其分布，作为SSI模型中的应力分布，将GJB151A中规定的电场强度限值作为SSI模型的强度，即可根据SSI理论进行可靠度求解，几种常用分布的可靠度计算公式如下表3所示。进而获得各个频点上的可靠度R_h，并绘制出频率-可靠度曲线图。

表3可靠度计算公式

电路板介质的材料为FR4级耐燃材料，是以环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的复合材料，其相对介电常数为4.3。由表1可见，材料参数服从正态分布，该材料的相对介电常数服从正态分布N(4.3,0.5)。通过Matlab中的normrnd函数，生成一组服从正态分布N(4.3,0.5)的随机数据，即4.1611、4.5258、4.3017、4.3620、4.2661、4.4410、4.6301、4.2891、4.4077、4.3302，将其保留小数点后两位小数作为仿真输入值，并按从小到大顺序排列，依次为4.16、4.27、4.29、4.30、4.33、4.36、4.41、4.44、4.53、4.63。

根据步骤二，将这10个FR4相对介电常数作为输入值，对电路板进行电磁兼容仿真，得到2GHz下的最大电场值分别为64.28，62.87，60.95，58.18，55.81，52.36，50.90，49.83，47.57，44.91dBμV/m。利用SPSS软件对上述10个最大电场值进行分布拟合和正态 性检验，结果如表4所示。

表4正态性检验

其中以Kolmogorov-Smirnova法计得Sig.＝0.2＞0.05，以Shapiro-Wilk法计得Sig.＝0.714＞0.05，因此，电场值服从正态分布，即N(54.76，6.682)，其分布图如图12所示。根据GJB151A中RE102的规定，在2GHz处的电场强度限值为60dBμV/m，将该限值作为SSI模型中的强度分布，将仿真得到的电场分布作为SSI模型中的应力分布，即电场强度限值S＝60，s～N(54.76，6.682)，如图13所示。

SSI求解各频点处的可靠度

$P(s\≤S)=P(\frac{s-54.76}{6.68}\≤\frac{60-54.76}{6.68})=\mathrm{\φ}\left(0.78\right)$

查标准正态分布表，可知，电路板在2GHz下的可靠度为：

R_h＝0.7823

用相同的方法得到频率为0.5GHz，1GHz，1.5GHz，2.5GHz，3GHz，3.5GHz，4GHz时，电路板的可靠度分别为0.8115，0.8012，0.7936，0.7764，0.7717，0.7682，0.7629，最终拟合得到频率-可靠度曲线，如图14所示。根据电源模块的工作频率，可以得到电源模块的硬故障损伤可靠度评估值。

步骤四、累计损伤可靠度评估

基于对电源模块的仿真分析结果，对该电源模块进行累积损伤EMR评估方法，以获得电源模块的累计损伤可靠度。选取与硬故障EMR评估中相同的特征参数随机值，即相对介电常数随机值，进行多次仿真建模求解，获得目标走线上某频点下的相应多个电磁物理参数值。该电磁物理参数可以为表面电流，考虑了电路板的寄生效应，是激励电应力与走线串扰等共同作用的结果(研究证明，考虑实际走线的串扰与纯电路原理图仿真相比，其噪声电平可以高出20dB，也就是一个数量级)。然后将得到的多个电磁物理参数值代入故障信息矩阵里相应的物理模型中，得到电路板在该电应力条件下的多个失效时间，对其进行分布拟合，即可获得失效分布函数及可靠度函数R_d。

就本发明实施例的电源模块而言，在评估时，仍选取与硬故障损伤评估步骤中相同的 10个FR4相对介电常数随机值，即4.16、4.27、4.29、4.30、4.33、4.36、4.41、4.44、4.53、4.63，对电路板进行电磁兼容仿真分析，进行与PPoF方法结合的累积损伤故障EMR评估。根据步骤二，将这10个FR4相对介电常数作为输入值进行仿真，得到走线NETC5_1在2GHz频点上的电流为3.73、3.69、3.63、3.60、3.56、3.52、3.50、3.48、3.46、3.44A。

SPSS软件对电流及其对应的FR4相对介电常数进行曲线拟合，结果如图15所示。

根据上述仿真得到的电流，再加已知横截面积S为0.6mm2，可以求得电流密度j，电流密度加速因子n取2，扩散活化能Ea取0.58eV，工作条件下绝对温度T取300K；查阅材料手册，波尔兹曼常数k为8.62×10-5eJ/K，加上述仿真的得到的电流，将这些参数输入Cacle PWA，根据以下电迁移故障物理模型表达式

$t_f=\frac{\mathrm{Aexp}[E_a/\mathrm{kT}]}{j^n}$

计算得到失效时间tf分别为14222、14548、15033、15284、15647、15969、16189、16357、16527、16759小时。

寿命分布拟合利用Matlab软件对上述10个失效时间进行威布尔分布检验，如图16所示，近似呈一条直线，可知，该寿命服从威布尔分布。进一步求解，得该威布尔分布的形状参数为0.01，尺寸参数为22.1267，即W(0.01,22)，其分布函数为

$F\left(t\right)=1-e^{-t^{0.01}/22}$

可靠度函数为：

$R_d\left(t_0\right)=e^{-{t_0}^{0.01}/22}$

步骤五、综合电磁兼容可靠度评估

进行直流隔离式开关电源模块综合EMR评估。硬故障发生过程和累积损伤发生过程相互独立，***的综合电磁兼容可靠度可表示成硬故障电磁兼容可靠度与累积损伤电磁兼容可靠度的乘积。根据前述步骤得到的硬故障可靠度及累计损伤可靠度，在2GHz工作频率条件下，该电路板走线NETC5_1电磁兼容的综合可靠度可表示为：

$R_s=R_h\·R_d=0.7823e^{-{t_0}^{0.01}/22}$

当其寿命指标为15年时，假设每日工作8小时，一年工作200天，即t₀＝24000h，则：

R_s＝0.74

至此，本发明的电磁兼容可靠性评估已完成。

上述综合电磁兼容可靠度结果应用时可以将该量化结果与工程上可靠度合格量化指标相比较，例如，根据工程上关于航空电子装置电磁兼容设计的经验可以确定航空电子装置电磁兼容设计可靠度在其工作频率条件下合格指标为0.9。所以走线NETC5_1在其工作频率2GHz条件下电磁兼容的综合可靠度为0.74表明该电源模块设计不合格，需要对产品设计进行改进。通过改进PCB板介质的材料、PCB布局、导电材料密度、电阻率以及走线的横截面积，可以提高电源模块的电磁兼容的可靠度。

本发明从故障物理的角度，研究电磁效应的作用机制，并利用仿真技术，结合应力-强度干涉(SSI)模型及概率故障物理(PPoF)的方法，建立了电磁应力与可靠性指标间的直接关系，提出了评估航空电子装置电磁兼容可靠性的方法，为产品的设计改进提供参考依据。

Claims (8)

1.一种航空电子装置电源模块的电磁兼容可靠性的评估方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：信息收集，包括：

a.收集电源模块硬件及工作条件信息；

b.建立电源模块与电磁兼容相关的故障信息矩阵，故障信息矩阵包括故障机理及对应的故障物理模型；

c.从故障信息矩阵中选择故障前时间最短的故障机理作为主故障机理，获得其对应的主故障物理模型；

d.确定与电场辐射以及主故障机理相关的特征参数及分布；

步骤二：电源模块电磁兼容的仿真分析，包括以下子步骤：

a.根据步骤一收集的硬件及工作条件信息，建立电源模块的仿真模型；

b.选择所述仿真模型中要分析的目标走线，对其进行分析设置；

c.对电源模块进行信号完整性、电源完整性、电磁场分布及远场辐射的仿真求解；

步骤三：硬故障电磁兼容可靠性评估，包括以下子步骤：

a.对步骤一中确定的所述特征参数按照其分布进行蒙特卡洛抽样；

b.将获得的特征参数抽样数据输入步骤二中建立的仿真模型，经多次计算获得在多个频点上的多个最大电场强度值，并拟合出其分布；

c.以多个频点上的最大电场强度分布作为SSI模型中的应力分布，将国标规定的场强限值作为SSI模型的强度，进行可靠度求解，并绘制出频率-可靠度曲线图；

d.根据频率-可靠度曲线图获得电源模块工作频率条件下的硬故障电磁兼容可靠度值；

步骤四：累积损伤电磁兼容可靠性评估，包括以下子步骤：

a.选择与硬故障电磁兼容可靠性评估中相同的特征参数样本，在多个频点上分别进行建模仿真求解获得目标走线上的电磁物理参数；

b.将得到的多个电磁物理参数代入前述主故障物理模型中，得到电源模块在该电应力条件下的多个失效时间，对其进行分布拟合，获得可靠度函数；

步骤五：综合电磁兼容可靠性评估，以该电源模块工作频率条件下的硬故障电磁兼容可靠度值与累积损伤型电磁兼容可靠度函数的乘积作为该电源模块的综合电磁兼容可靠度。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其中步骤一中所收集的硬件及工作条件信息包括电源模块电路板的功能、工作应力条件，电路板上的组成元器件清单，电路板和元器件的结构、材料、工艺参数、引脚信息、焊点以及过孔信息。

3.根据权利要求1所述的评估方法，其中步骤一中的所述故障机理包括电迁移、二次击穿、热载流子效应、栅氧化层击穿以及过热烧毁。

4.根据权利要求1所述的评估方法，其中步骤一中所述的主故障机理为电迁移。

5.根据权利要求1所述的评估方法，其中步骤一中确定的特征参数为电源模块电路板及元器件的相对介电常数，其服从正态分布。

6.根据权利要求1所述的评估方法，其中步骤二中的所述分析设置包括：对所选走线添加激励源端口，设置仿真模型的背景材料和边界条件，设置网格参数、求解目标、工作频率及模型的扫频响应，设置监视器。

7.根据权利要求1所述的评估方法，其中步骤二中所述仿真求解包括：

1)对信号完整性进行仿真，分析由高频电路电磁应力造成的信号串扰、干扰问题对电路板信号完整性产生的影响，分析得到信号眼图；

2)对电源完整性进行仿真，分析得到电源阻抗和电源电压降；

3)分析走线信号产生的电磁场，仿真电路板的场辐射，得到电路板的电场分布、磁场分布、表面电流以及远场辐射。

8.根据权利要求1所述的评估方法，其中步骤四中所述的电磁物理参数为目标走线上的表面电流。