王文智

(1.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710000；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710000)

0 引言

1960年，美國火箭發(fā)射時(shí)在火箭離開發(fā)射座數(shù)百米后發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，造成重大損失。事后查明，原因是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)控制線路中存在潛在通路。自此之后，潛在通路分析日益得到重視并逐漸在重大工程中得到推廣應(yīng)用。潛在通路的形成并非是由于元器件損壞、元器件參數(shù)漂移和電磁干擾等，而是由于在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中元器件非關(guān)鍵參數(shù)配置不合理、相關(guān)參數(shù)邊界條件設(shè)置不合理、正常/非正常工作狀態(tài)考慮不全面，并在特定條件下在電子電路中產(chǎn)生了不希望有的通路[1]——潛在通路，它的存在將引起電路功能異?；蛞种普９δ?，并可能導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生功能性故障或出現(xiàn)安全性問題。隨著電子設(shè)備功能要求逐步提高，電子設(shè)備構(gòu)成日趨復(fù)雜，而復(fù)雜的電路構(gòu)成為潛通電路的可能存在提供了滋生環(huán)境。潛在通路分析是以小的成本(或代價(jià))解決潛在通路危害的唯一方法，因此有必要在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過程中開展?jié)撛谕贩治觥?/p>

1 潛在通路基本分析方法

潛在通路分析[2]是可靠性分析方法之一，其目的是通過開展裝備潛在通路分析，發(fā)現(xiàn)裝備潛在通路，進(jìn)而指導(dǎo)裝備設(shè)計(jì)改進(jìn)，以提高裝備工作可靠性和使用安全性。

潛在通路分析有人工分析法和計(jì)算機(jī)輔助分析法兩種。人工分析法[3]一般用于設(shè)備連接關(guān)系或電路構(gòu)成簡單的裝備，計(jì)算機(jī)輔助分析法一般用于設(shè)備連接關(guān)系或電路構(gòu)成復(fù)雜的裝備，本文只針對(duì)人工分析法做簡單介紹。人工分析法一般由電路簡化、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹、拓?fù)浞治龊徒⒕€索表等工作內(nèi)容組成，潛在通路人工分析流程見圖1。

圖1 潛在通路人工分析流程Fig.1 Sneak circuit analysis process

1)簡化電路。即運(yùn)用電路分析的串聯(lián)、并聯(lián)及其他基本原理[4]將被分析的電路進(jìn)行簡化，將數(shù)量較多、較為復(fù)雜的電路簡化為數(shù)量較少的等效部件。電路簡化有廣義和狹義兩層含義：廣義是將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分割成容易分析的較小系統(tǒng)，即進(jìn)行系統(tǒng)分割，使復(fù)雜的系統(tǒng)得以簡化；狹義是針對(duì)具體的電路組成開展電路簡化工作。

2)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹的目的是在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹規(guī)則的前提下，針對(duì)被分析電路以追蹤全部負(fù)載的方式尋找出所有存在的電路通路。根據(jù)電子工程理論[4]，任何一個(gè)電路系統(tǒng)都可以變換為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而網(wǎng)絡(luò)樹是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分。網(wǎng)絡(luò)樹由若干電路通路組成，它們是僅在電源或接地點(diǎn)上與其他樹有共同的連接的網(wǎng)絡(luò)圖。

3)拓?fù)浞治?。任何電路網(wǎng)絡(luò)樹均能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)樹上相鄰節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系抽象概括為5類，稱為5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是直線型、電源拱型、接地拱型、組合拱型和H型(見圖2)，5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是最簡單、最經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)樹。

圖2 網(wǎng)絡(luò)樹Fig.2 Network tree

4)建立線索表。線索表用來識(shí)別電路中的所有可能，分析人員必須識(shí)別出電路正常完成其預(yù)定功能的全部要求和非預(yù)期功能產(chǎn)生的影響。形成線索表相對(duì)簡潔的方法是結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行組合，確定每種組合的狀態(tài)在電路中是否存在、是否為預(yù)期功能狀態(tài)，存在的、非預(yù)期狀態(tài)的電流通路一般為潛在通路。線索表包括兩類問題：第一類是關(guān)于電路模式的一般特性的問題，即電路電流流向；第二類是其適用性方面的特殊的問題，即電路實(shí)現(xiàn)的功能。

2 接口電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 電子設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)

某電子設(shè)備由設(shè)備1～4組成，設(shè)備1～4通過接口電路實(shí)現(xiàn)連接，接口電路由光MOS固態(tài)繼電器和電阻元器件組成，接口電路和連接關(guān)系見圖3。接口電路的主要功能是離散信號(hào)處于“斷開”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4不工作處于“功能無效狀態(tài)”；離散信號(hào)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4工作處于“功能有效狀態(tài)”。

圖3 設(shè)備接口電路及連接關(guān)系圖Fig.3 Equipment interface circuit and the connection

如圖3所示，接口電路工作原理是在離散信號(hào)處于“斷開”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4接口電路輸入端的發(fā)光二極管處于懸空狀態(tài)不構(gòu)成電流通路，無電流通過發(fā)光二極管，輸出端MOS管無輸入激勵(lì)信號(hào)處于“斷開”狀態(tài)，設(shè)備1～4不工作處于“功能無效狀態(tài)”；在離散信號(hào)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)，設(shè)備1～4接口電路輸入端的發(fā)光二極管處于接地狀態(tài)構(gòu)成電流通路，電流通過發(fā)光二極管，輸出端MOS管有輸入激勵(lì)信號(hào)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，設(shè)備1～4工作處于“功能有效狀態(tài)”。根據(jù)接口電路工作原理和電子線路設(shè)計(jì)理論，該接口電路組成簡潔、連接關(guān)系明確、邏輯關(guān)系正確，可以完成預(yù)定功能。

2.2 出現(xiàn)的問題及分析

該電子設(shè)備進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換試驗(yàn)時(shí)，在實(shí)施上電→斷電→上電試驗(yàn)程序中電子設(shè)備報(bào)故，撤銷試驗(yàn)應(yīng)力后，電子設(shè)備重新上電,故障現(xiàn)象消失。再次施加試驗(yàn)應(yīng)力，執(zhí)行上電→斷電→上電試驗(yàn)程序，電子設(shè)備再次報(bào)故。經(jīng)對(duì)電子設(shè)備檢查不存在硬件/軟件故障。進(jìn)一步試驗(yàn)觀察和分析發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備故障現(xiàn)象為設(shè)備1～4均出現(xiàn)故障，但設(shè)備1處于未工作狀態(tài)，設(shè)備2～4處于工作狀態(tài)但存在故障。對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)一步分析和定位發(fā)現(xiàn)，設(shè)備1～4的離散信號(hào)在未操作狀態(tài)下已處于有效狀態(tài)。由設(shè)備軟件功能分析發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備上電啟動(dòng)階段，在啟動(dòng)BIT軟件運(yùn)行狀態(tài)下，離散信號(hào)“有效”，設(shè)備1～4將報(bào)故。將設(shè)備1與設(shè)備2～4實(shí)施物理隔離，設(shè)備2～4再次實(shí)施上電→斷電→上電試驗(yàn)程序，設(shè)備2～4工作正常。對(duì)設(shè)備1～4按規(guī)定實(shí)施交聯(lián)，但設(shè)備1處于不工作狀態(tài)，此時(shí)對(duì)設(shè)備2～4加電，電子設(shè)備在未施加任何應(yīng)力的情況下報(bào)故。此種故障現(xiàn)象表明，在電子設(shè)備工作期間，如果設(shè)備1出現(xiàn)“斷電”故障，將在設(shè)備1與設(shè)備2～4接口電路之間形成“潛在通路”，離散信號(hào)將出現(xiàn)“非希望狀態(tài)”，從而導(dǎo)致電子設(shè)備執(zhí)行“非期望功能”。

啟動(dòng)BIT運(yùn)行流程見圖4。

啟動(dòng)BIT設(shè)計(jì)過程中，對(duì)電子設(shè)備安全工作有重大影響的2種離散信號(hào)設(shè)置了狀態(tài)“邊界條件”。在啟動(dòng)BIT運(yùn)行階段，邊界條件明確規(guī)定該2種離散信號(hào)需處于“無效”狀態(tài)，如果啟動(dòng)BIT檢測到該2種離散信號(hào)有效，則啟動(dòng)BIT“報(bào)故”的同時(shí)電子設(shè)備不再執(zhí)行某些重要功能，但該“邊界條件”對(duì)電子設(shè)備工作期間2種離散信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測無效。

2.3 接口電路設(shè)計(jì)分析

根據(jù)對(duì)電子設(shè)備故障現(xiàn)象的分析可知，電子設(shè)備在不存在硬件/軟件故障的前提下，可能會(huì)在某種特定狀態(tài)下(設(shè)備1～4中任一設(shè)備在上電階段，未能正確上電或未要求上電)產(chǎn)生故障，而且該故障是電子設(shè)備中未工作的設(shè)備引起接口電路離散信號(hào)“非正常有效”所導(dǎo)致的。

根據(jù)圖3所示接口電路組成和電子工程理論，設(shè)備1未上電時(shí)，它在電子設(shè)備中等效為電阻(經(jīng)測試，等效電阻小于1 kΩ)，該等效電阻一端與設(shè)備1接口電路輸入端串聯(lián)電阻上端連接，另一端與電子設(shè)備地連接，電子設(shè)備等效電路見圖5(簡化的設(shè)備1和設(shè)備2等效電路)。

根據(jù)圖5，在設(shè)備1未加電、設(shè)備2上電的狀態(tài)下，設(shè)備2電源經(jīng)其接口電路輸入端限流電阻、輸入端發(fā)光二極管、設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管(反向)、設(shè)備1接口電路輸入端限流電阻、設(shè)備1等效電阻與地連接，形成電流通路(圖5中虛線為等效電流通路)。在等效電流通路中，重點(diǎn)關(guān)注兩點(diǎn)：1)設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管反向漏電流值大??；2)設(shè)備2接口電路光輸入端發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流值大小。如果發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流指標(biāo)小于反向漏電流指標(biāo)，在該種特定條件下將使設(shè)備2離散信號(hào)處于“有效狀態(tài)”。查閱資料，電子設(shè)備接口電路選用的光MOS固態(tài)繼電器輸入端發(fā)光二極管反向漏電流約為1 mA[5]，正向最小導(dǎo)通電流為0.4 mA[5]。根據(jù)發(fā)光二極管電流參數(shù)和圖5組成，設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管反向漏電流滿足設(shè)備2接口電路輸入端發(fā)光二極管導(dǎo)通需求，使離散信號(hào)在未執(zhí)行規(guī)定動(dòng)作的情況下有效，設(shè)備2進(jìn)入功能有效狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備2報(bào)告故障。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖6為電子設(shè)備接口電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證圖。

采用2種方法對(duì)等效電流通路(虛線)[6]中存在的電流進(jìn)行測試。方法1：監(jiān)測測試電阻上電流形成的電壓值，按式(1)通過計(jì)算獲得等效電流通路電流值；方法2：通過增加測試電阻值以降低等效電流通路中的電流值，觀察電子設(shè)備上電工作后是否存在故障。

(1)

式中：I為等效通路電流；V為設(shè)備2電源電壓，本文設(shè)為28 V；R1為設(shè)備1限流電阻；R3為設(shè)備2限流電阻；R5為等效電阻；R6為測試電阻。

采用驗(yàn)證方法1，測試結(jié)果見表1。

表1 方法1等效通路電流測試結(jié)果Table 1 Equivalent path current test results of Method 1 mA

通過對(duì)表1測試數(shù)據(jù)分析，等效電流通路中的導(dǎo)通電流上限不隨接入設(shè)備數(shù)量的變化而變化，只由接口電路輸入端發(fā)光二極管的反向漏電流參數(shù)決定。發(fā)光二極管反向漏電流參數(shù)值和等效電流通路中電流測試值對(duì)比，兩者基本相符。由于發(fā)光二極管反向漏電流值大于正向最小導(dǎo)通電流值，因此在電子設(shè)備處于設(shè)備1不工作，設(shè)備2上電工作的狀態(tài)下，設(shè)備2在不存在軟/硬件故障時(shí)仍報(bào)故屬于設(shè)計(jì)缺陷。

采用驗(yàn)證方法2，測試結(jié)果見表2。

表2 方法2等效通路電流測試結(jié)果Table 2 Equivalent path curent test results of Method 2 mA

按式(1)計(jì)算，使測試電阻值增大到等效電流通路中的電流值小于接口電路輸入端發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流，此時(shí)，盡管設(shè)備1接口電路輸入端發(fā)光二極管反向漏電流允許值為1 mA，但由于等效電流通路中限流電阻、等效電阻和測試電阻的作用，等效電流通路中的電流小于發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流，該電流不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，固態(tài)繼電器MOS管輸出端處于“斷開”狀態(tài)，因此，設(shè)備2～4工作正常。

根據(jù)表2，增加測試電阻值后，設(shè)備2～4接口電路流過等效電路發(fā)光二極管的正向?qū)娏鳌安淮笥?.3 mA”，小于發(fā)光二極管正向最小導(dǎo)通電流0.4 mA，不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，固態(tài)繼電器處于“截止”狀態(tài)。因此，在設(shè)備1未上電(或斷電)設(shè)定狀態(tài)下，設(shè)備2～4可正常工作。

上述分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)論說明，該典型電子設(shè)備接口電路在特定條件下存在的潛在通路是由接口電路發(fā)光二極管反向漏電流值偏大、反向漏電流和正向?qū)娏鲄?shù)配置不合理造成的。

2.5 接口電路潛在通路分析

由上述分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備1～4之間的接口電路在不同的工作狀態(tài)下，將形成潛在通路并造成電子設(shè)備報(bào)故或執(zhí)行“非期望功能”。因此，以電子設(shè)備接口電路暴露的設(shè)計(jì)問題為例，簡要介紹電子設(shè)備潛在通路分析情況。依據(jù)潛在通路分析流程，電子設(shè)備接口電路潛在通路簡要分析如下。

1)電路簡化。電子設(shè)備由設(shè)備1～4組成，其中，設(shè)備1～4接口電路相同、連接關(guān)系相同，在對(duì)接口電路進(jìn)行電路簡化時(shí)，以設(shè)備1為例進(jìn)行電路簡化工作。設(shè)備1接口電路輸入端由發(fā)光二極管、限流電阻和設(shè)備1工作電源采用串接方式組成。根據(jù)“電路原理學(xué)”，該電路已無需運(yùn)用串聯(lián)、并聯(lián)及其他電路原理進(jìn)行簡化，已達(dá)到最簡電路狀態(tài)。

2)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)樹的目的是尋找出所分析電路中全部的電流通路，并將所要電流通路置于電源和地之間。設(shè)備1接口電路輸入端由發(fā)光二極管、限流電阻和設(shè)備1工作電源采用串接方式組成。按圖4所示該電路應(yīng)有正、反兩條電流通路：正向電流通路由設(shè)備1工作電源、等效電阻(限流電阻)、發(fā)光二極管和地組成；反向漏電流通路由設(shè)備2工作電源(設(shè)備2的工作電源與其電流、電阻和發(fā)光二極管的等效電源)、設(shè)備1發(fā)光二極管、等效電阻(設(shè)備1電源等效電阻與其限流電阻組合)和地組成，設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹見圖7。

圖7 設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹Fig.7 Input interface circuit input network tree of Equipment 1

3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹中，根據(jù)發(fā)光二極管主要功能可等效為開關(guān)。由于設(shè)備1接口電路輸入端網(wǎng)絡(luò)樹中的正向和反向漏電流通路均是在一定條件下形成的，因此，設(shè)備1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由正向地和反向電源連接組成，而設(shè)備1和設(shè)備2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合符合圓弧形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，確定設(shè)備1和設(shè)備2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為典型的組合圓弧形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 接口電路網(wǎng)絡(luò)樹Fig.8 Interface circuit network tree

4)建立線索表。線索表是通過對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析而獲得，分析過程中，首先排除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中對(duì)工作狀態(tài)組合無影響的4個(gè)阻抗元器件(R1～R4)，重點(diǎn)分析4個(gè)開關(guān)(S1～S4)狀態(tài)(↑表示斷開，↓表示閉合)的不同組合對(duì)應(yīng)設(shè)備1和設(shè)備2的工作狀態(tài)，明確每種組合下設(shè)備的工作狀態(tài)屬于“正常工作”、“不工作”還是“異常工作”，如表3所示。

表3 線索表Table 3 Clue table

由表3可知，在開關(guān)S1～S4的全部16種組合中，有2種組合存在潛在通路。第1個(gè)潛在通路是S1斷開S2，S3，S4閉合的狀態(tài)組合，在此組合下，設(shè)備2等效為接地電阻；第2個(gè)潛在通路是S3斷開S1，S2，S4閉合的狀態(tài)組合，在此組合下，設(shè)備1等效為接地電阻。對(duì)電子設(shè)備接口電路進(jìn)行分析，判斷2個(gè)潛在通路是否真實(shí)存在，通過電路分析可知，2個(gè)潛在通路是否存在的關(guān)鍵是接口電路輸入端發(fā)光二極管的反向漏電流的大小，如果反向漏電流大于正向最小導(dǎo)通電流，則潛在通路真實(shí)存在，反之則不存在。電子設(shè)備接口電路輸入端反向漏電流大于正向最小導(dǎo)通電流，分別引起設(shè)備1和設(shè)備2的非預(yù)期工作，證明潛在通路真實(shí)存在。

2.6 小結(jié)

通過上述對(duì)電子設(shè)備接口電路的組成、出現(xiàn)的問題、原因分析和解決措施的介紹，可以確定該接口電路在設(shè)計(jì)、元器件使用和可靠性分析方面存在如下問題：

1)設(shè)計(jì)方面由于設(shè)計(jì)人員對(duì)如何適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)電子設(shè)備之間連接缺乏全面的考慮，導(dǎo)致交聯(lián)電子設(shè)備分別處于不同狀態(tài)時(shí)形成不希望有的通路，該通路的存在引起電子設(shè)備功能異常；

2)元器件使用方面由于設(shè)計(jì)人員只注重于光MOS固態(tài)繼電器功能參數(shù)(包括正向?qū)娏?、?dǎo)通電壓、耐壓、隔離和通/斷等)，而未對(duì)輔助參數(shù)(主要是反向漏電流)給予同等重視，致使光MOS固態(tài)繼電器輸入端發(fā)光二極管反向漏電流值大于正向?qū)娏髯钚≈?，從而?dǎo)致電子設(shè)備在不同狀態(tài)下出現(xiàn)非規(guī)定功能狀態(tài)并報(bào)故，應(yīng)該說，在電路設(shè)計(jì)中針對(duì)元器件的使用，重視元器件重要功能參數(shù)而輕視輔助參數(shù)的現(xiàn)象較為普遍，通過對(duì)該電子設(shè)備接口電路的分析應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視；

3)可靠性分析和可靠性評(píng)估重視不夠，未開展電子設(shè)備可靠性分析與評(píng)估工作。

3 結(jié)束語

潛在通路對(duì)電子設(shè)備(或武器系統(tǒng))的危害是毋庸置疑的。鑒于潛在通路具有較深的隱蔽性、非常規(guī)形成性、非常規(guī)狀態(tài)產(chǎn)生性和危害巨大等特點(diǎn)[7]，建議在電子設(shè)備或關(guān)鍵電子電路設(shè)計(jì)中應(yīng)開展?jié)撛谕贩治龉ぷ?，以消除電子設(shè)備中可能存在的潛在通路，保證電子設(shè)備的可靠性和安全性。本文通過對(duì)典型電子設(shè)備接口電路在設(shè)計(jì)和潛在通路分析方面的介紹，說明潛在通路分析在解決潛在通路對(duì)電子設(shè)備可靠性和安全性影響方面發(fā)揮重要作用，提醒設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分重視潛在通路分析工作，并將潛在通路分析工作落到實(shí)處，以有效提高電子設(shè)備的可靠性和安全性。