硬件产品多维度可靠性仿真设计

叶 峰

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 概述

随着近年来轨道交通的快速发展，对于信号系统铁路信号可靠性和安全性要求越来越高。为了保障信号系统设备的安全稳定运行，利用多维度可靠性仿真分析对硬件产品进行分析设计是非常必要的。

传统的设计开发，通过试制样机的调试、测试和现场验证来发现遗漏、缺陷和错误，并开展迭代修改和优化，是“试错式”开发和“迭代式”开发。存在开发效率低下，质量、成本不能有效的把控等问题，不利于产品的全生命周期管理，无法对技术的更新换代和客户需求做出快速响应，难以增强企业产品的竞争力。

随着虚拟化技术、智能模拟仿真技术的发展，智能仿真技术引入产品装备开发中。主要优势为在设计前期设计变更成本低，通过仿真建立虚拟样机进行系统集成和仿真验证，可以减少实物试验，降低研发成本，完成仿真驱动设计，同时还可以将仿真技术与试验管理结合起来，提高仿真结果的置信度。利用并行工程和DFX（Design for X）技术，在设计阶段尽可能早地针对不同阶段中产品的性能、质量、可制造性、可装配性、可测试性、产品可用性和成本等因素进行综合评估，从而优化产品设计，保障工程产品质量，同时降低后期维护成本。

2 多维度可靠性仿真方法和流程

在信号系统硬件产品研发设计中开展的多维度可靠性仿真分析如图1所示。通过仿真分析，发现硬件设备的设计薄弱环节并提供修改优化依据，从设计上提升信号系统设备的可靠性和安全性。

图1 多维度可靠性仿真分析流程示意Fig.1 Process schematic of multi-dimensional reliability simulation analysis

在硬件产品研发设计的原理图、PCB、板卡和整机研发各阶段，先后开展电路功能仿真、故障注入仿真、信号完整性仿真、可靠性物理仿真、可靠性建模预计和整机环境应力仿真，通过开展硬件产品多维度仿真，发现设计薄弱环节，并为硬件产品优化设计提供依据。

3 故障注入仿真

3.1 故障注入仿真工作流程

在工程上，常常在电路模拟仿真的基础上，通过Spice模型进行故障注入仿真[1-2]。基于Spice模型的故障注入仿真工作一般在原理图设计阶段开展。首先生成电路原理图和激励信号波形编辑，进行正常功能仿真，得到电路特性波形，然后通过失效模式分析具体故障并建立故障模型，进行故障注入并仿真。通过比较正常功能和故障注入后的电路特性波形，可以指导电路故障模式影响分析，并为故障诊断等设计提供依据。

3.2 关键电路故障注入仿真案例

为了验证分析关键功率器件L298N的各种故障不会导致危险输出，选取数字量输出接口板的驱动电路进行仿真。通过调整修改原理图，分别进行U2开路、U2G管短路和U2H管开路3种故障注入。对正常电路和3种故障情况分别进行激励信号下的仿真，得到回读信号和继电器处电压波形如图2所示。

图2 故障注入仿真输出波形Fig.2 Output waveform of fault injection simulation

当电压超过12 V并且持续时间不低于50 ms，则继电器吸起。通过仿真波形可以看到，在当发生U2开路、U2G管短路和U2H管开路3种故障时，在静态使能时继电器电压均保持在10 V以下，即继电器落下。仿真结果显示，这3种故障模式在各种激励信号组合下，继电器均为落下，故障导向安全，不会造成危险输出。

4 PCB信号完整性仿真

4.1 PCB信号完整性仿真工作流程

在产品PCB设计中，应对关键高速信号进行信号完整性仿真[3-4]，分析验证信号质量，指导PCB设计从而保证信号质量。信号完整性仿真模型主要为IBIS模型。用IBIS模型分析的信号完整性问题包括：串扰、反射、振铃、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析等。基于IBIS模型提取和建立电路拓扑结构，执行信号完整性仿真，根据电气约束规则分析仿真波形是否满足设计条件，指导PCB布局布线。根据实际情况，可能需要多次迭代仿真分析和设计优化后可以满足设计条件。

4.2 高速信号完整性仿真案例

选取某板卡10 M以上关键信号，采用Cadence软件进行信号完整性仿真。对时钟差分信号进行拓扑模型提取和编辑，添加发送端和接收端的IBIS模型，添加激励信号后进行时钟差分信号仿真。结合相关电气约束规则对比仿真波形，认为该时钟差分信号质量较好，设计通过，如图3所示。

在其他信号完整性仿真中，发现有上下过冲过大、信号存在振铃等问题，通过调整匹配电阻和滤波电容、调整线间距和走向等措施优化设计。

5 基于失效物理的可靠性仿真

基于失效物理的可靠性仿真是以电子产品的常见失效机理和损伤理论为基础[5]，综合考虑电子产品寿命期内承受的环境应力和工作应力，结合典型的失效物理模型和损伤模型，建立以多机理独立与竞争为基本假设的电子产品寿命预测方法[6]。

5.1 基于失效物理的可靠性仿真分析流程

如图4所示，基于失效物理的可靠性仿真分析流程主要包括以下4部分：

1）信息收集：主要包括产品的器件手册、结构和材料参数、电路设计、环境条件等；

2）建立模型：所需的参数主要包括器件的尺寸、引脚、工艺、材料、重量、位置、功耗，电路板的尺寸、板层信息、镀通孔和过孔等信息；

3）应力分析：根据产品实际经受的环境条件，进行相应的热应力分析和振动应力分析，得到产品的损伤值；

4）故障预计：对产品施加实际的环境剖面，根据失效物理模型进行应力损伤分析，进行蒙特卡洛仿真，得到产品的薄弱环节及相应的失效模式、失效机理和失效时间。

5.2 基于失效物理的可靠性仿真案例

利用Sherlock以计算机联锁关键板卡数字量输出接口板为例，环境温度分别为0℃、30℃和50℃时的热分析结果如图5所示，即各器件壳温分布图。热应力分析的结果将作为失效物理模型的参数值，用于计算产品的故障时间。

图5 各种环境温度下输出板器件壳温分布Fig.5 Component shell temperature distribution of output board at various ambient temperatures

根据计算机联锁工作环境，设置不同环境温度下输出板的边界条件。设置输出板的预期寿命为20年，即失效时间小于20年的故障点为潜在故障。故障预计结果主要包括各器件失效模式、失效机理、MTTF以及蒙特卡洛分析结果，故障预计仿真分析结果如图6所示。

图6 输出板故障预计结果矩阵Fig.6 Failure prediction result matrix of output board

通过该结果可以看出，器件U1，U2和C55的首次失效时间均小于20年，分别为7.94年，8.82年和16.6年。U1，U2和C55的故障模式均为焊点开裂，故障机理为热疲劳，需从器件选型、封装、布局等多个方面改进设计。

6 整机级环境应力仿真

6.1 整机级环境应力仿真分析流程

根据产品工作环境，应力类型可包括温度应力、机械应力和电磁应力等。这些物理场的应力分布都是基于有限元模型进行仿真得到应力分布图和场流分布图等。根据整机设计方案，建立整机有限元模型，设置相应环境应力后进行应力分布和场流速度分布，如果仿真结果显示不满足要求条件，对设计方案进行优化并进行新一轮仿真，直至仿真结果满足设计条件。

6.2 整机级热应力仿真案例

长期温度过高会严重影响电子设备的电气特性[7]。以联锁机柜通风孔方案热仿真对比为例，机柜顶部的通风孔考虑设置在中间位置和机柜顶部前端。利用Icepak软件进行整机热仿真，两种方案的气流方向状态如图7所示。对比发现将机柜顶部的通风孔前移到距离机柜前端，机柜内部气流更通畅，通风散热效果更佳，因此将联锁机柜顶部的通风孔前移到距离机柜前端20mm。

图7 不同通风孔方案下联锁机柜的气流分布Fig.7 Air flow distribution of interlocking cabinets with different ventilation hole schemes

6.3 整机级电磁应力仿真案例

利用HFSS仿真软件对机笼进行电磁屏蔽效能仿真[8]。通过对联锁机笼进行电磁屏蔽效能仿真，得到机笼和板卡的电场分布如图8所示。

图8 计算机联锁机笼电磁屏蔽效能仿真结果Fig.8 Simulation results of electromagnetic shielding efficiency of computer based interlocking rack

根据仿真结果，从机笼中各电路板的电场分布情况可以看出部分区域受到电磁泄漏影响较严重。通过增加搭接深度或者采用凹凸形式优化机笼搭接处来减小机笼搭接细缝，适当减小机笼散热孔径等方法优化设计，经过新一轮仿真验证有效提升了机笼电磁屏蔽效能。

7 结束语

随着虚拟化技术、智能模拟仿真技术的发展，多维度可靠性仿真技术将越来越广泛地引入信号系统产品开发中，通过仿真建立虚拟样机进行系统集成和仿真验证，可以提高开发质量、降低研发成本、缩短研发周期。本文介绍在硬件产品在原理图设计、PCB设计，到产品板卡和整机设计阶段成功运用的多维度可靠性仿真分析方法，并提供了丰富的仿真案例。结合多种仿真方法和工具，从电路设计、信号完整性、失效物理和整机环境应力仿真等多维度进行可靠性仿真分析，为硬件设计优化提供依据，切实提升了产品设计的可靠性和安全性。