基于功能单元的电路网络可靠性分析.pdf
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1、引用格式:郭美祺.基于功能单元的电路网络可靠性分析.航空计算技术():.():.基于功能单元的电路网络可靠性分析郭美祺(航空工业西安航空计算技术研究所陕西 西安)摘 要:随着电子技术集成化的发展电路的集成度和复杂度提高电路结构逐渐向模块化、网络化发展其内部元器件对电路系统可靠性的影响已不能用单一的串并联模型进行分析 各器件实现连通是电路正常进行信号传递的基础因此以连通可靠性作为指标以电路功能模块作为网络基本单元提出一种电路可靠性分析方法 方法在简化电路网络的同时能够分析不同可靠性水平的器件对电路本身的可靠性影响 其具体分为以下步骤:)基于功能模块的电路网络建模及节点失效率计算)网络可靠性精确/
2、近似计算及分析)不同质量等级器件对电路整体可靠性的影响分析 这些过程运用于具体电路网络案例证明了方法的可行性关键词:电路网络功能单元可靠性分析连通可靠性中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:)/).:引言随着科技的发展电子系统正向规模大、集成度高、数字化的方向进步 电子系统内部元器件种类、数量都急剧上升 电路内部元器件的故障会影响整个电路系统的工作 在电子电路的可靠性水平上一方面高质量元器件的选用能够提升电路整体可靠性但不同器件的质量提升为系统整体提升带来的效益不同另一方面在电路设计中器件的冗余设计可以提升电路的使用可靠性为建立器件与系统之间的可靠性关系越来越多的研究者开始关注电路可
3、靠性分析 简单电路一般采用可靠性框图法()进行建模以描述元器件与电路之间的可靠性关系 文献 利用贝叶斯网络以门电路为基本单元画出有向无环图并利用此建立电路的条件概率分布以此推算出针对软差错的电路可靠度 等基于深度自动编码器以门电路基本单元对电路进行可靠性预计 这两种方法应用于集成电路中其计算复杂度会随元器件个数门电路收稿日期:修订日期:基金项目:国家科技重大专项项目资助()作者简介:郭美祺()女陕西西安人工程师硕士第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .数量的增加而成指数级增长 随着电子电路的复杂化发展数字电路开始具有复杂网络特征 文献 对电路建立等效网络模型利用复杂网络理论通过计算图
4、的特征参数衡量电子电路的可靠性和抗毁性分析其实质是描述拓扑图的静态特征并不考虑各节点本身的状态改变 考虑到电子系統中实际应用的混合电路越来越趋于“大数字小模拟”即数字电路所占的比例越来越大封装成型的数字电路形成了明显的功能分区而模拟电路多是以功能划分模块 欧阳丹彤等在电路诊断中提出了复杂网络划分思想将电路元器件分为基本元件、多输入元件和起始元件以起始元件分块并进行电路分块诊断本文拟针对电路中元器件可靠性水平如何影响整个电路可靠性的问题展开研究 为了在考虑元器件级可靠性的基础上简化电路网络模型提出一种基于功能单元划分的电路网络可靠性分析方法 该方法能够减少网络中节点的个数进而简化整个网络规模同时
5、该方法基于各个元器件的可靠性对电路整体可靠性进行计算便于后续对元器件可靠性变化为电路整体带来的影响进行分析 具体内容如下:)以电路内部最小功能单元对电路进行节点划分提出元器件与电路网络之间的可靠性建模方法)提出电路网络可靠度的精确算法以及近似算法并进行不同器件质量等级变化对系统的影响分析 电路网络可靠性分析方法.电路网络建模本文以电路功能模块为基本单元构建电路网络模块内部元器件为串联模型即功能模块内任一元器件失效即看作节点失效)对于数字集成电路其本身及其外围电路元器件可看作一个功能模块)对于模拟功能电路根据其本身电路功能划分网络拓扑抽象过程是对节点、链路及网络连接关系的提取需要注意保留节点链路
6、的某些属性特征(如是否有向是否有源、有汇等)根据网络节点等效方法通过把电路中的功能模块等效为网络的节点将连接各个节点之间的连接线等效为有向/无向边就可以得到电路的网络模型 一般以邻接矩阵全面刻画节点之间的相连关系 根据电路网络模型 中各节点间的连接关系可以得到其所对应的网络邻接矩阵 邻接矩阵 中元素 值的定义如下:节点 到节点 有链路连接 节点 到节点 无链路连接().节点链路的失效率计算节点的失效率计算包含内部元器件失效率预计及节点整体失效率计算)元器件失效率计算可靠性预计是在电子产品的设计阶段以应力分析为基础对元器件可靠性进行估计的一种方法 元器件在稳定使用的时候处于浴盆曲线的平稳阶段其可
7、靠度可看作指数分布失效率为常数 而影响该失效率的因素包括元器件环境系数、质量系数、温度应力系数、电应力等 可靠性预计以大量统计数据为基础建立电子设备的故障率与各种因素之间的关系的协变量模型通过选择相应的失效率计算式及各参数的取值以估计元器件的可失效率 其中根据元器件质量等级的不同其质量系数的选择也有所不同)节点失效率计算本文中节点主要由单片集成电路和外围电路组成根据.节所述节点失效模型满足 串联模型因此节点失效率为其包含所有器件的失效率之和.电路网络可靠性分析方法.连通可靠性参数“连通可靠性”考虑元器件之间存在连通路径的概率而各节点之间的互联互通是电路进行信号传输的基础 网络拓扑根据是否有源节
8、点可分为有源网络和无源(即多源)网络两种形式二者的连通可靠性参数有所不同 无源网络连通可靠性参数包括:)两端可靠度是指维持网络中两个端点之间连接的概率其反应网络中两个节点间至少存在一条通路的概率)端可靠度指网络中 个端点之间保持连通的概率即在网络中 是网络中所有端点集合中的每个端点之间存在至少一条路径的概率)全端可靠性是指整个网络的所有端点保持连接的能力即在网络的所有端点集 中的每个端点之间存在至少一条路径的概率与无源网络相比有源网络源点固定其连通可靠度参数根据汇点不同分为以下三种:)可靠度指网络的源点 和终点 保持连通的概率)可靠度指网络的源点 与特定的端点集()保持连通的概率)可靠度指网络
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