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】
[0001] 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(ElectromagneticReliability,EMR)的方法，属于产品可靠性领域。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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 研宄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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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(StressStrengthInterference 应力-强度干涉）理论和PPoF(ProbabilityPhysicsofFailure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。
[0007] 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：
[0008] 步骤一：信息收集，包括：
[0009] a.收集电源模块硬件及工作条件信息；
[0010] 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；
[0011] 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
[0012] 故障物理模型；
[0013] 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；
[0014] 步骤二：电源模块电磁兼容的仿真分析，包括以下子步骤：
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] c.对电源模块进行信号完整性、电源完整性、电磁场分布及远场福射的仿真求 解；
[0018] 步骤三：硬故障电磁兼容可靠性评估，包括以下子步骤：
[0019]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；
[0020] 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；
[0021]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；
[0022] 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；
[0023] 步骤四：累积损伤电磁兼容可靠性评估，包括以下子步骤：
[0024]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；
[0025]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
[0026] 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；
[0027] 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。
[0028] 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、 弓丨脚信息、焊点以及过孔信息。
[0029] 优选地，其中步骤一中的所述故障机理包括电迀移、二次击穿、热载流子效应、栅 氧化层击穿以及过热烧毁。
[0030] 优选地，其中步骤一中所述的主故障机理为电迀移。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 优选地，其中步骤二中所述仿真求解包括：
[0034] 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；
[0035] 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；
[0036] 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。
[0037] 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。
[0038] 综上所述，本发明的技术思路在于：首先从故障物理的角度，研宄电磁效应的作用 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