电子设备抗电磁脉冲性能验证流程制定方法研究

齐 欢，张俊楠，陈 曦，龙 梁，周春晓

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

高空电磁脉冲耦合进入电子设备后，会产生很强的电流和很高的电压，对没有采取防护措施或防护不到位的电气设备造成损伤或毁坏，从而影响电子设备正常工作，甚至导致电气系统瘫痪，造成整个任务的失败[1,2]。合理的抗高空电磁脉冲性能的验证流程为检验电子设备在高空电磁环境下的工作性能提供了支撑。本文以测试性设计[3]为依托研究电子设备抗高空电磁脉冲性能验证流程的制定方法，研究了电子设备抗高空电磁脉冲性能可测试的设计方法[4]和抗电磁脉冲试验的测试流程，提出表征电子设备正常运行状态的测试流程设计方法，同时以某电子设备为例，利用所提出的方法制定验证该设备抗高空电磁脉冲性能的具体流程。

1 性能验证流程制定方法研究

本文的研究思路是通过系统自检，即通过系统的测试性来检验系统功能，同时进行测不到项目的电磁脉冲相关性分析，并完成测试流程设计。首先提取表征系统工作正常与否的特性量，然后在此基础上，结合测试性设计结果分析各个系统测试项目的测试覆盖率，最后以此为依据，确定设备抗电磁脉冲试验的测试项目、测试流程以及对测试不到项目的分析与处理方法，电子系统抗高空电磁脉冲性能验证方法的流程如图1 所示。本文将电子系统的抗高空电磁脉冲性能的验证方法归结为A、B、C、D、E 5 项任务，5 项任务逐层递进，上一级任务的结论将作为其下一层任务的主要输入。

图1 抗高空电磁脉冲性能验证方法流程 Fig.1 Procedure of Verifying Anti-electromagnetic Pulse Performance

1.1 任务A：电磁脉冲敏感设备分析

对于需要评估的电子设备，列出该设备的元器件配套表，该配套表作为任务A 的输入。针对配套表中的所有元器件逐一进行电磁脉冲敏感度分析。根据分析结果，提取出半导体器件（含集成电路、晶体管）等对电磁敏感的元器件子集，电磁脉冲敏感器件表即为任务A 的输出，并将作为任务B 的输入。

1.2 任务B：电磁脉冲失效模式分析

对电子设备进行失效模式分析，首先列出设备的每一项功能，并针对各项功能分析失效模式、失效原因、失效影响，其中在失效影响分析中，具体针对每项故障模式对该电子产品、更高一级产品以及最高一级产品在工作、功能或状态方面产生的后果进行分析。同时，给出故障检测方法、预防措施、危害程度和出现概率等，形成电子设备失效模式分析表。

将电子设备的失效模式分析表和电磁脉冲敏感度器件表作为任务B 的输入，两张表格进行对照分析，提取出失效模式分析表中与电磁脉冲敏感器件相关的故障模式分析内容，形成任务B 的输出：电磁脉冲失效模式分析表。在电磁脉冲失效模式分析表中，可只针对失效模式的影响、严酷度等进行分析。严酷度可按表1 分为灾难的、致命的、严重的、轻度的4 类。

表1 严酷度类别 Tab.1 Severity Category

1.3 任务C：电磁脉冲失效模式测试方案分析

针对电子设备可能出现的失效模式制定故障测试方案，确定各个测试阶段的所有测试项目、测试参数以及测试点。将该测试方案和电磁脉冲失效模式分析表作为任务C 的输入。在测试方案中，提取出与电磁脉冲失效模式分析表项目相关的子集，即由于电磁脉冲导致的失效模式的测试项目。根据分析结果，给出电磁脉冲失效模式的测试方案分析表，作为任务C 的输出。

1.4 任务D：电磁脉冲故障检测率分析

对于电子设备，制定电磁脉冲专项试验测试方案。方案给出该设备的所有测试项目，并给出每个测试项目在电磁脉冲专项试验中的测试时机，如是否每次电磁脉冲辐照后均进行该项测试，是否每个试验量级试验均测试、是否是试验起止时的测试项目。

设备研制阶段，电磁脉冲试验测试方案的制订是一个迭代的过程。通常需要先暂定一个试验方案，然后使用任务D、任务E 分析其故障检测率和测不到项目的处理方案，如果不满足要求则返回修改测试方案。最终得到完备的测试方案，以便开展后续工作。

对照电磁脉冲专项试验测试方案，针对每个评价阶段，提取电磁脉冲失效模式测试方案分析表的子集，该子集仅包含在该阶段进行的测试，其余部分被认为是测不到项目。同时，对每个评价阶段，分别计算故障检测率，给出每次电磁脉冲辐照后、每个试验量级以及试验结束等阶段的故障检测率。

1.5 任务E：测不到项目的处理方案

以电磁脉冲试验测试方案和电磁脉冲失效模式测试方案分析表为任务E 的输入，结合电磁脉冲失效模式分析表，对任务D 中梳理出的每个评价阶段的测试不到故障模式项目进行分析，并制定处理方案。根据具体的任务安排和失效模式的严酷度，处理方案可以分为以下4 种类别：

a）不处理。对于严酷度低，对任务的完成影响较小的失效模式可不做处理.

b）理论分析。通过理论分析即可得出失效模式影响的可不进行测试。

c）试验后设备单元测试。

d）试验后元器件拆解进行元器件测试。对于影响较大，且无法通过理论分析和单元测试的失效模式，可在实验后将元器件拆解并进行元器件级测试。

2 应用示例

2.1 确定配套表

在进行抗高空电磁脉冲防护性能验证方法时，需要先约定分析层次[5]。在实际工程中，系统集成工程师和电气设备工程师分别在不同的层次开展分析，上一层次利用下一层次分析的结果[6]。以设备层为例，在这一层，配套表即为设备的元器件清单，即BOM 表。某样机元器件配套如表2 所示。

表2 样机元器件配套表 Tab.2 Component List of the Sample

续表2

2.2 敏感产品（元器件）配套表

一般来说，敏感元器件包括半导体元件等器件。因此，从元器件配套表中，即可提取出敏感产品（元器件）配套表。从表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 样机敏感元器件配套 Tab.3 Sensitive Component List of the Sample

2.3 电磁脉冲失效模式分析表

在敏感产品（元器件）配套表的基础上，提取失效模式分析表的含敏感产品（元器件）的子集，形成电磁脉冲失效模式分析如表4 所示。

表4 样机电磁脉冲失效模式分析 Tab.4 Analysis Table for Failure Mode of Electromagnetic Pulse of Sample

2.4 电磁脉冲测试方案设计表

在总的测试方案设计表中，通过抽取与电磁脉冲失效模式分析表对应的子集，即可得到电磁脉冲测试方案设计如表5 所示。

表5 电磁脉冲测试方案设计 Tab.5 Test Scheme for Electromagnetic Pulse

2.5 电磁脉冲故障检测率分析

由表5 可分析出电磁脉冲相关故障的检测率。对于本文示例样机而言，全部电磁脉冲可能导致的故障模式均可一定程度得到检测。

2.6 抗电磁脉冲性能的测试项目列表

通过针对表5 中每一项故障模式，制定相应的测试流程，最终得到整台设备需要进行的测试项目列表。

对于本文示例样机而言，依据本文分析，只需要进行低压测试和高压测试两项系统级测试即可满足要求，不需要从系统中拆下设备进行单元测试。

对于电磁脉冲防护器件是否失效，导致无法通过检验系统功能测试项目（低压测试/高压测试）的验证，则需要对设备进行多次脉冲试验考核，或者在试验后对相应端口使用专用测试设备进行测试。

3 结束语

本文提出了电子设备抗高空电磁脉冲性能验证流程的制定方法，并通过示例对该流程进行了说明。该流程的提出对电子设备抗高空电磁脉冲性能验证方法的制定具有一定的指导意义。