電路設(shè)計(jì)引發(fā)的六性問題研究范文

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摘要：裝備質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的，裝備的“六性”水平是由設(shè)計(jì)賦予的，是承制單位設(shè)計(jì)人員水平的體現(xiàn)。如果裝備的設(shè)計(jì)缺陷在使用過程中才被逐漸地暴露，那么后期更改將“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，付出的代價(jià)就會(huì)非常大。從電路設(shè)計(jì)引發(fā)的“六性”問題入手，用實(shí)際案例詮釋了電路設(shè)計(jì)對產(chǎn)品“六性”的影響，并對由設(shè)計(jì)缺陷引起的質(zhì)量問題進(jìn)行了剖析。在電路組件一級，針對電子元器件、連接器的篩選和質(zhì)量保證措施已經(jīng)日趨完善，而對電路“技術(shù)細(xì)節(jié)”的審查，卻存在不足；而更多的是，僅憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，對此亟待加強(qiáng)改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：六性；保護(hù)設(shè)計(jì)；電容斷裂；小型化

0引言

裝備“六性”是裝備質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]，并且是質(zhì)量管理的核心內(nèi)容，是對傳統(tǒng)質(zhì)量管理的必要擴(kuò)充。它是裝備形成戰(zhàn)斗力的基礎(chǔ)，可以提高裝備作戰(zhàn)能力，減少維修人力，縮小后勤保障規(guī)模，降低使用和保障費(fèi)用[2]。電路是裝備中樞控制系統(tǒng)的載體，電路出現(xiàn)故障，對裝備功能和性能的影響危害程度往往較高，甚至?xí)斐晒ぷ靼c瘓。武器裝備電路系統(tǒng)復(fù)雜，存在模塊多、元器件種類多、數(shù)量多、來源多和裝配測試工藝復(fù)雜等問題，電路設(shè)計(jì)的“六性”問題將直接影響裝備的“六性”水平，因此有必要提高電路系統(tǒng)的“六性”水平。

1電路設(shè)計(jì)引發(fā)的“六性”問題分析

1.1總線收發(fā)芯片使用不規(guī)范，上電存在過流隱患

總線收發(fā)芯片的特點(diǎn)是雙向傳輸，使能和方向選擇一般通過FPGA等可編程芯片控制，但FPGA初始化時(shí)間長達(dá)數(shù)百毫秒，此時(shí)控制總線收發(fā)芯片方向的FPGAI/0管腳電平狀態(tài)不確定，如果總線收發(fā)芯片使能端口0E沒有接上拉電阻而直接連接FPGA的I/0管腳，總線芯片將直接可能輸出電平信號，給后級帶來總線沖突和過流隱患。以某產(chǎn)品1553B總線模塊為例，總線收發(fā)芯片選用常用的SNJ54LVTH245AFK芯片，該芯片具有使能端口和方向選擇端口，設(shè)計(jì)人員將這兩個(gè)端口直連到了FPGA芯片I/0管腳，而沒有選擇使用上拉電阻。如果使用了上拉電阻，在FPGA初始化的幾百毫秒內(nèi)，使能端將一直為高電平，總線輸出為高阻態(tài)，后級不會(huì)發(fā)生總線沖突和過流，但如果未使用上拉電阻，F(xiàn)PGA初始化的幾百毫秒內(nèi)，使能端口將為不定態(tài)，總線可能輸出高電平或者低電平而不是高阻態(tài)，致使后級可能發(fā)生總線沖突。經(jīng)過實(shí)際測試，總線沖突時(shí)，電流可高達(dá)0.1A，這超過芯片的承受能力。該問題具有很大的隱蔽性：1）設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注FPGA初始化后的性能測試結(jié)果，對初始化過程中產(chǎn)品工作可靠性關(guān)注不足；2）過流不代表器件一定會(huì)損壞，F(xiàn)PGA初始化后仍然可以正常工作，但會(huì)帶來質(zhì)量隱患。反思：器件使用不規(guī)范，不代表產(chǎn)品性能不達(dá)標(biāo)，但會(huì)給產(chǎn)品工作的可靠性帶來隱患。在該例中，設(shè)計(jì)人員只關(guān)心了性能評價(jià)，而對可靠性分析不足。設(shè)計(jì)人員是增強(qiáng)產(chǎn)品健壯性和可靠性的主體，如果留下隱患，后期故障排查和已制品處理將很困難。

1.2電源接口對稱設(shè)計(jì)和保護(hù)不到位，導(dǎo)致可靠性不高

某型加速度計(jì)已工程化使用多年，在市場推廣過程中，發(fā)生多起因電源接反而毀壞的現(xiàn)象。在慣導(dǎo)產(chǎn)品的研制過程中，該型加速度計(jì)也出現(xiàn)了在電源未接反情況下而燒毀的情況[3]。通過分析，造成該問題的原因有兩個(gè)：1）+15V電源輸入端接口與地線接口對稱設(shè)計(jì)，俯視和仰視的差異造成判斷失誤，電源接反（如圖1所示）；2）該型加速度計(jì)未設(shè)計(jì)電流過流保護(hù)和反向電壓保護(hù)電路，由于電容充放電原因，在慣導(dǎo)產(chǎn)品上電和斷電過程中，各個(gè)模塊上電時(shí)序有差異，存在一定概率造成瞬間地線電壓高于該加速度計(jì)供電電壓，形成反向電壓而燒毀。針對問題一，電源和地線對稱設(shè)計(jì)，無論在什么系統(tǒng)，均有一定的錯(cuò)接概率，如果由于設(shè)計(jì)原因，必須采用對稱設(shè)計(jì)，則可采用外接端口異形標(biāo)識(shí)或者外殼記號標(biāo)識(shí)的方法加以解決。針對問題二，雖然將加速度計(jì)損壞的原因歸結(jié)為外部供電電源設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致，但該型加速度計(jì)的“脆弱性”卻再次暴露，對此可通過在使用說明書中標(biāo)明該型加速度計(jì)未有過流保護(hù)措施和反向電壓保護(hù)措施，應(yīng)在其供電電源中加入這兩項(xiàng)保護(hù)措施來解決問題。反思：該型加速度計(jì)的“六性”問題，完全是電路設(shè)計(jì)不合理引起的，設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品使用過程中的復(fù)雜環(huán)境預(yù)估不足，未能更多地站在客戶角度去考慮問題。如果設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到這些問題，則完全可以避免發(fā)生后期問題。

1.3電路布局中電容位置不合理，導(dǎo)致可靠性不足，引發(fā)電容斷裂問題

電容是電路中非常重要的元器件，具有濾波、調(diào)相等作用。電容斷裂將對產(chǎn)品功能和性能產(chǎn)生一定的影響。圖1某型加速度計(jì)外接接口定義圖信號1溫度信號信號2+15V輸入地線俯視圖56第4期在某型產(chǎn)品振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了貼片陶瓷電容斷裂的現(xiàn)象。分析原因，為該電容位置接近定位孔位置，同時(shí)電路板振動(dòng)方向與電容長邊垂直，PCB電路板該區(qū)域形變大，機(jī)械應(yīng)力大，超過瓷體強(qiáng)度而出現(xiàn)裂紋[4-5]。反思：對于電路板應(yīng)力分布，目前沒有很好的仿真軟件，難以定量分析，往往借助設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并通過環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，但由于研制階段往往小批量試制，一旦無法暴露，將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。在電路設(shè)計(jì)鑒定中，沒有明確的指標(biāo)進(jìn)行判斷，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高對機(jī)械應(yīng)力的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)中盡量降低應(yīng)力，提高產(chǎn)品的“六性”水平。

1.4電路設(shè)計(jì)小型化引起的“六性”問題

隨著新技術(shù)、新工藝和新材料的采用，小型化是產(chǎn)品的重要發(fā)展方向之一。為之配套的電路也要實(shí)現(xiàn)小型化。在某型陀螺電路設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)電路小型化，大量使用0402封裝的阻容器件，并按照元器件連接關(guān)系密集排布。在陀螺測試調(diào)試過程中，需要根據(jù)技術(shù)協(xié)議，對其標(biāo)度因數(shù)、零位等進(jìn)行調(diào)節(jié)，方式為對電阻阻值進(jìn)行更換。其中，由于零位與陀螺的敏感組件有一定的關(guān)系，難以一次到位，后期調(diào)整的概率較大。在設(shè)計(jì)階段，未考慮修調(diào)的可達(dá)性，需要修調(diào)的電阻周圍被其他電阻密集地圍繞，更換電阻可達(dá)性差，更換過程中容易對周圍電阻造成影響，嚴(yán)重影響了更換效率并造成了質(zhì)量隱患。該問題在產(chǎn)品大批量訂貨階段才反映出來，由此占用了大量的人力物力。為了實(shí)現(xiàn)某型加速度計(jì)電路的小型化，研制階段采用了密封的混合集成電路工藝，使用過程中，發(fā)生了由于多余物引起功能異常的問題。雖然定性為生產(chǎn)工藝問題，但通過分析幾起案例，發(fā)現(xiàn)有一定的共性，即均存在輸出信號與地線之間阻抗異常的問題。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果有一個(gè)不大于800Ω的電阻處于輸出信號與地線之間，該故障將復(fù)現(xiàn)。通過對混合集成電路版圖進(jìn)行分析，承制方為方便布線，在電路板外緣走了一圈地線導(dǎo)通帶，方便直接金絲鍵合。雖然方便了版圖布局，但造成了電路板上地線導(dǎo)通帶面積過大，且與大量未塑封器件距離過近，造成信號線通過多余物與地線搭接的概率增大，留下質(zhì)量隱患。后通過版圖優(yōu)化布局，減小地線導(dǎo)通帶線長和寬度，調(diào)整器件位置，成功地解決了輸出信號與地線之間阻抗異常的問題。小型化電路設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可靠性、維修性、測試性和環(huán)境適應(yīng)性等更應(yīng)著重考慮，否則會(huì)對后續(xù)維修、測試帶來很大的不便。小型化電路“六性”水平更加依賴于設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品“六性”的把握程度。在電路設(shè)計(jì)鑒定過程中，對小型化產(chǎn)品“六性”應(yīng)重點(diǎn)討論，深刻剖析，不將問題帶到批產(chǎn)階段。

2結(jié)束語

產(chǎn)品的“六性”是設(shè)計(jì)出來的，一個(gè)成功的設(shè)計(jì)不僅僅指功能和性能滿足規(guī)定要求，還應(yīng)包括產(chǎn)品的“六性”設(shè)計(jì)是否成功。本文通過實(shí)例闡述了電路設(shè)計(jì)對產(chǎn)品“六性”的影響，并進(jìn)行了反思。發(fā)現(xiàn)造成這些現(xiàn)象的原因主要是：1）部分電路設(shè)計(jì)人員對“六性”的認(rèn)識(shí)不足，接受培訓(xùn)不足，在產(chǎn)品預(yù)研階段、方案階段，存在把重心放在產(chǎn)品功能和性能上的現(xiàn)象，造成后期被動(dòng)；2）電路設(shè)計(jì)具有專用性、特殊性等特點(diǎn)，鑒定中，國軍標(biāo)主要對電路設(shè)計(jì)中的通用特性，如元器件選用和篩選標(biāo)準(zhǔn)、電路板板級篩選標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)裝配工藝等進(jìn)行了明確[6]，對設(shè)計(jì)過程中的“特殊細(xì)節(jié)”審查導(dǎo)向不足，更多地依賴設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知水平，這些“技術(shù)細(xì)節(jié)”為電路系統(tǒng)的“六性”埋下了隱患；3）量化考核不足，產(chǎn)品某些“六性”要求，如容差錯(cuò)設(shè)計(jì)、余度設(shè)計(jì)等，僅為設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則或者設(shè)計(jì)保證，并無具體的考核依據(jù)，而這些設(shè)計(jì)在保證產(chǎn)品“六性”中可能是關(guān)鍵性的。在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的主觀能動(dòng)性，增加電路設(shè)計(jì)“六性”反向思考的步驟，重點(diǎn)考慮其設(shè)計(jì)的特殊性，讓設(shè)計(jì)人員直面“技術(shù)細(xì)節(jié)”，對提高產(chǎn)品“六性”有一定的幫助。設(shè)計(jì)完成后，技術(shù)人員應(yīng)反向考慮設(shè)計(jì)有沒有可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性等問題，做好剖析論證，根據(jù)其更改措施設(shè)立“合理化建議”獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)措施，形成導(dǎo)向，提高設(shè)計(jì)人員對“六性”的認(rèn)識(shí)水平。

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作者:陳沖沖 樊虎 曾凡 飛 張進(jìn) 單位:中國人民解放軍93160部隊(duì)