Способ оценки параметрических запасов работоспособности электронных устройств
METHOD OF ESTIMATING PARAMETRIC RESERVES OF OPERABILITY OF ELECTRONIC DEVICES

ЭУ
Способ оценки параметрических запасов работоспособности электронных устройств (ЭУ) относится к способам контроля параметров ЭУ и актуален для контроля параметров ЭУ (П), используемых в аппаратуре и системах с длительным сроком эксплуатации.
ЭУminдоп
ЭУm
a
xдоп
Под параметрическими запасами работоспособности понимают удаленность уровней параметров от ограничений на них (П, П).
Необходимость контроля параметрических запасов работоспособности диктуется следующими обстоятельствами:
ЭУmin
ЭУm
a
x
- длительное функционирование обуславливает деградационные процессы (старение) в среде любых твердых тел (материалы, комплектующие ЭУ), следствием которых является изменение функциональных параметров ЭУ и смещение их в сторону заданных ограничений (или П, или П);
- знание запасов позволяет из ряда вариантов реализации однотипных ЭУ выбирать те, которые обладают максимальными запасами, что обеспечит их успешную работу в аппаратуре и системах с длительным сроком эксплуатации (долгоживущих);
- знание реальных запасов позволяет принимать упреждающие меры, минимизирующие скорости деградационных процессов (стабилизация температуры, питающих напряжений, использование компенсационных методов и др.);
- знание запасов позволяет при разработке так размещать возможные значения параметров ЭУ, чтобы они были максимально удалены от ограничений на указанные параметры (min, max): введение регулировок, схемные доработки и др.
ЭУ
ЭУ
Известен способ оценки запасов работоспособности, который использует результаты экспериментальных исследований по методу рабочих областей (см. Маслов А.Я., Татарский Ю.В. Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры. М., «Сов. радио», 1972). Известный способ позволяет графически определить область возможных значений П относительно существующих ограничений (min, max), но не позволяет получать оценочные соотношения, описывающие границы допустимой рабочей области. Таким образом, каждый раз, когда необходимы изменение номиналов пассивных регулирующих элементов ЭУ или замена активных (транзисторы, микросхемы и др.), это требует повторного экспериментального исследования изменения конфигурации области допустимых значений П, т.е. дополнительных временных и других затрат. Есть рекомендация (см. там же), что если нет возможности как-либо оценить запасы, следует таким образом конструировать ЭУ, чтобы возможные разбросы располагались симметрично относительно среднего значения, равноудаленного от заданных ограничений, что практически нереализуемо, так как симметрия при совокупности одних эксплуатационных факторов нарушается при изменении уровней этих факторов.
ЭУ
Известен также метод экспериментального исследования ЭУ (прототип) - математическое планирование эксперимента (МПЭ), позволяющий по результатам исследования восстановить аналитическую зависимость исследуемых параметров (откликов) ЭУ от варьируемых при исследовании воздействий (факторов) - математическую модель (ММ) зависимости П от воздействующих факторов (см. Барабащук В.Н., Креденцер Б.П., Мирошниченко В.И. Планирование эксперимента в технике. Киев: Техника, 1984).
Недостатком прототипа является отсутствие инженерной технологии оценки запасов работоспособности ЭУ.
Предлагается способ оценки параметрических запасов работоспособности ЭУ, заключающийся в воздействии на ЭУ совокупностью эксплуатационных факторов по методологии МПЭ, определении значений параметров ЭУ в каждом опыте и оценки параметрических запасов относительно заданных ограничений (по min и max) как разности между величиной ограничений и полученными значениями параметров соответственно.
Технической проблемой предлагаемого способа является прогнозирование возможных значений запасов работоспособности при массовом производстве ЭУ и восстановление ММ запасов работоспособности.
Решение поставленных задач достигается тем, что МПЭ подвергают выборку ЭУ (k), оценивают полученные запасы работоспособности в каждом опыте для каждого образца ЭУ и, используя полученные результаты, прогнозируют возможные значения запасов работоспособности при массовом производстве ЭУ, например, по методу толерантных пределов, а также, используя полученные в МПЭ значения и оценки возможных отклонений запасов работоспособности при массовом производстве, например, толерантные пределы, восстанавливают ММ запасов работоспособности, позволяющие оценивать запасы работоспособности для любых сочетаний уровней воздействующих факторов в пределах значений, варьируемых при реализации МПЭ.
Реализация предлагаемого способа происходит следующим образом.
Существует ЭУ, которое может быть использовано в известных эксплуатационных условиях - факторах (фиг. 1).
i
вх
внш
внт
Эксплуатационные факторы - совокупность воздействий (входных, внешних и внутренних) {x}={х, х, х}, где
- i=1, 2, 3, …, n - количество воздействующих на ЭУ факторов;
вх
- х - входные воздействия (аналоговые, импульсные сигналы и др.);
внш
- х - внешние воздействия (питающие и другие напряжения, определяющие электрические режимы ЭУ, температура, давление и др.);
внт
- х - внутренние воздействия (отклонение уровней внутренних параметров комплектующих, на которых реализуются ЭУ, от образца к образцу однотипных ЭУ, а также одного ЭУ при изменении эксплуатационных условий; взаимовлияния комплектующих в составе ЭУ при функционировании и др.).
ЭУ
П - параметры (отклики) ЭУ, определяемые его функциональным назначением (уровни аналоговых сигналов и амплитуды переменных сигналов, величины и длительности импульсов, частоты переменных сигналов и следования импульсов и др.).
ЭУ
i
Количество воздействующих факторов (n) определяет объем эксперимента при реализации МПЭ с ЭУ, исходным представлением которого является матрица планирования (МП) - фиг. 2. Для простоты рассмотрен случай линейной зависимости П(x).
1
2
3
N
Результаты МПЭ согласно МП представляют факторограммой (фиг. 3), где по оси абсцисс откладывают номера опытов по МП (1, 2, 3, …, N), а по оси ординат - результаты опытов (П, П, П, …, П). Результаты соединены отрезками прямых для наглядности.
ЭУ
minдоп
m
а
хдоп
Если нанести на факторограмму уровни ограничений для П (П, П), то в каждом опыте будут получены запасы работоспособности относительно каждого ограничения. Например, в первом опыте:  - запас относительно нижнего ограничения,  - запас относительно верхнего ограничения.
ЭУ
ЭУ
Но это запасы для исследуемого ЭУ (индивидуальные). Следующий образец ЭУ из-за отличия уровней внутренних факторов (параметров комплектующих) даст в опытах другие значения П, повторяющие общие закономерности измерения ЭУ (при переходе от условий 1-го к условиям 2-го опыта П возрастает, от 2-го к 3-му - уменьшается, и т.д.).
Повторение исследований на ряде ЭУ (k образцов) даст соответствующее количество результатов в каждом опыте (k), а отражение результатов МПЭ согласно МП на факторограмме образует коридор откликов (фиг. 4).
ЭУ
Экономические и временные ограничения не позволяют при отработке использовать количество образцов (k) в объеме статистически представительной выборки, поэтому для оценки возможных границ (min, max) отклонений (разбросов) П при массовом производстве используют статистические методы, например, метод толерантных пределов (см. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1969; Мюллер П., Нойман П., Шторм Р. Таблицы по математической статистике. М.: Финансы и статистика, 1982).
t
t
ср
Тогда П=П±kS(N), где
t
ЭУ
- П - толерантные пределы П в каждом опыте  - нижний и верхний соответственно);
ср
ЭУ
- П - оценка среднего значения П в каждом опыте;
t
- k - табулированный толерантный коэффициент;
ЭУ
- S(N) - оценка среднеквадратичного отклонения П в каждом опыте.
ЭУ
Нанесенные на факторограмме представленные результирующие (фиг. 4) толерантные значения очерчивают возможные границы отклонения П при различных сочетаниях факторов.
minдоп
m
a
xдоп
ЭУ
i
Полученные результаты позволяют оценить в каждом опыте для каждого образца электронных устройств запасы работоспособности относительно заданных ограничений: так в опыте 2 (фиг. 4) показаны  относительно П и соответственно  относительно П, так как возможные результаты распределены между  Используя полученные значения, могут быть восстановлены ММ запасов работоспособности ΔП(х) при любых сочетаниях уровней воздействующих факторов в интервалах их варьирования, а не только при крайних значениях, устанавливаемых при реализации МПЭ.
При периодических и других проверках ЭУ будут получены новые результаты измерений с реальных устройств, которые пополнят статистическую базу результатов, что каждый раз позволяет уточнять (пересчитывать) толерантные границы и, соответственно, запасы работоспособности.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет прогнозировать возможные значения запасов работоспособности при массовом производстве ЭУ и восстанавливать ММ запасов работоспособности, результаты которых можно использовать для повышения надежности работы ЭУ.
В соответствии с предлагаемым способом получена инженерная технология оценки запасов работоспособности ЭУ, включающая:
ЭУ
- проведение МПЭ на выборке ЭУ с восстановлением для каждого образца ММ зависимости П от воздействующих факторов;
ЭУminдоп
ЭУm
a
xдоп
- наложение ограничений на уровни параметров (П, П);
ЭУ
- восстановление ММ запасов работоспособности ΔП и оценка запасов для различных сочетаний уровней воздействующих факторов;
ЭУ
- по результатам оценки запасов работоспособности ΔП принятие решения о годности ЭУ.
Совокупность признаков, подобная рассмотренной в данном способе, не встречалась ранее для решения поставленных задач и не следует явным образом из уровня технологии контроля параметров ЭУ, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Применение способа к оценке параметрических запасов работоспособности проиллюстрированы на примере электронной схемы задержки (ЭЗ) скачка напряжения (фиг. 5).
п
п
зmin
зm
a
x
t
Задержка скачка напряжения была реализована на гибридной интегральной схеме (ГИС) и должна была функционировать в диапазоне температур 0 - +40°С (t°C) и изменения напряжения питания 24-34 В (Е). Результаты измерений 8-ми образцов ЭЗ (1, 2, 3, …, 8) при варьировании Е и t°C в пределах min (-), max (+) значений, а также средние значения, S(N) и возможные толерантные значения разбросов при k=3,73 приведены в таблице (фиг. 6). Так как допустимые пределы (t, t) были заданы в пределах 5-20 с, полученные значения запасов работоспособности во всех опытах были признаны достаточными.