电子产品故障模式、影响及危害性分析(FMECA)

1主要内容硬件分析法的特点如下故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的概念故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的目的和原则故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法应力分析法实施步骤元器件计数法实施步骤总结2故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的概念故障模式、影响及危害性分析(FailureMode,EffectsandCriticalityAnalysis，简称FMECA)是在工程实践中总结出来的，以故障模式为基础，以故障影响或后果为目标的分析技术。它通过逐一分析各组成部分的不同故障对系统工作的影响，全面识别设计中的薄弱环节和关键项目，并为评价和改进系统设计的可靠性提供基本信息。FMECA是针对产品所有可能的故障，并根据对故障模式的分析，确定每种故障模式对产品工作的影响，找出单点故障，并按故障模式的严重度及其发生的概率确定其危害性。所谓单点故障指的是引起产品故障的，且没有冗余或替代的工程程序作为补救的局部故障。FMECA包括故障模式及影响分析(FMEA)和危害性分析(CA)。只有在进行FMEA的基础上，才能进行CA。3故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的目的和原则实施FMECA的目的主要是：1.对于处于开发过程中的产品，主要是在设计过程中找出系统方案的薄弱环节，进而进行改进设计，使得系统的设计方案达到最优化，同时，可以对系统可能出现的故障进行预计，在此基础上列出电路所有可能的失效模式。2.对于已经发生的电路失效，要着重寻找发生失效的原因，分析和鉴定是元器件的随机失效，还是电路、结构、工艺设计中的缺陷和错误，就可以采取改进措施，达到设计固有可靠性目标和可靠性增长的目的。FMECA的实施者需要对系统的硬件结构有着充分的了解，FMECA的实施过程中应遵循边设计、边分析、边改进和“谁设计、谁分析”的原则。4故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法阶段方法目的论证、方案阶段功能FMECA分析研究产品功能设计的缺陷和薄弱环节，为产品功能设计的改进和方案的权衡提供依据工程研制与定型阶段功能FMECA硬件FMECA软件FMECA损坏模式及影响分析(DMEA)过程FMECA分析研究产品硬件、软件、生产工艺和生存性与易损性设计的缺陷与薄弱环节，为产品的硬件、软件、生产工艺和生存性与易损性设计的改进提供依据生产阶段过程FMECA分析研究产品的生产工艺的缺陷和薄弱环节，为产品生产工艺的改进提供依据使用阶段硬件FMECA软件FMECA损坏模式及影响分析(DMEA)过程FMECA分析研究产品使用过程中可能或实际发生的故障、原因及影响，为提高产品使用可靠性，进行产品的改进、改型、或新产品的研制以及使用维修决策等提供依据5故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法硬件开发工程师需要实施的FMECA主要是功能FMECA和硬件FMECA，当选用功能FMECA时，根据系统定义中的功能描述、故障判据的要求，确定其所有可能的功能故障模式，进而对每个功能故障模式进行分析，这种方法主要用于产品的论证、方案阶段或工程研制阶段早期，一般从“初始约定层次”产品向下分析，即自上而下的分析，也可从产品的任一功能级开始向任一方向进行分析。当选用硬件FMECA时，根据被分析产品的硬件特征，确定其所有可能的硬件故障模式(如电阻的开路、短路和参数漂移等)，进而对每个硬件故障模式进行分析，这种方法主要用于产品的工程研制阶段，一般从元器件级直至装备级，即自下而上的分析，也可以从任一层次产品开始向任一方向进行分析。6故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法系统定义故障模式分析故障原因分析故障影响及严酷度分析故障检测方法分析设计改进措施分析使用补偿措施分析危害性分析(CA)FMECA报告故障模式及影响分析(FMEA)7故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法硬件FMECA与功能FMECA各有其优缺点：硬件FMECA从元器件开始，逐层向上直达系统级，这种方法置信度高，但工作量大。功能FMECA不从下一个层次的单元开始分析，而是直接从被分析对象的可能产生的失效模式开始，其置信度取决于设计师的分析能力、工程经验和分析力度，这是此种分析方法的难点。其次是如何确定各种失效模式的频数比，但与硬件FMECA相比，此种方法的工作量大大降低。FMECA方法的选择，取决于必要性、可能性和代价的综合权衡。对于初次接触这项工作的硬件开发工程师，最好在产品硬件原理图的基础上采用硬件FMECA进行分析。8故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法硬件FMECA可以采用两种方法，应力分析法和元器件计数法。应力分析法短路(73%)开路(16%)参数漂移(11%)参数漂移(8.1%)开路(91.9%)磁介质电容器金属膜电阻器器件级分析失效模式1失效模式2失效模式3功能级分析失效模式1失效模式2系统级分析1P2P1S2S1121*73%*91.9%*16%SPPP212*11%*8.1%SPP9故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法元器件计数法磁介质电容器金属膜电容器1P2P功能部分失效系统失效器件级分析功能级分析系统级分析系统的失效率为：12SPPS10故障模式、影响及危害性分析(FMECA)的方法可以看出，采用应力分析法可以具体地分析出系统中各个元器件在任何一种失效模式下失效时对系统的影响及发生的概率，采用这种方法可以具体地分析出系统的失效模式及产生这种失效模式的概率(即系统怎么失效，发生这种失效的概率是多少)。当然，分析过程中涉及各个元器件的失效分布，因此，工作量相对较大。采用元器件计数法可以用系统各个元器件的通用失效率与通用质量系数之积相加的方法得出系统的失效概率，这种方法分析得出的失效概率比较笼统(即只知道系统发生失效，具体发生哪种失效不详)。但此种分析方法分析过程相对简单，工作量小。11应力分析法实施步骤应力分析法是对某种电子元器件在实验室的标准应力与环境条件下，得出该种元器件的“基本失效率”。在预计电子元器件的工作故障率时，应用元器件的质量等级、应力水平、环境条件等因素对基本失效率进行修正而预计得元器件的工作失效率，最后在元器件工作失效率的基础上结合系统的硬件电路原理图，得出系统的工作失效率。器件级分析功能级分析系统级分析系统定义12应力分析法实施步骤系统定义的目的是使分析人员有针对性地对被分析产品在给定任务功能下进行所有可能的故障模式、原因和影响分析。系统定义可概括为产品功能分析(产品功能块的划分)和绘制框图(功能框图和任务可靠性框图)两部分。1.产品功能分析：在描述产品任务后，对产品在不同任务剖面下的主要功能、工作方式(如连续工作、间歇工作或不工作等)和工作时间等进行分析，并应充分考虑产品接口部分的分析。AI通道(1)AO通道(2)DI通道(3)DO通道(4)FPGA(5)CPU(7)接口部分(6)电源(8)模拟量输入模拟量输出数字量输入数字量输出IO通道部分13应力分析法实施步骤根据FMECA的需要，按产品的功能关系或组成特点进行FMECA的产品所在的功能层次或结构层次为产品的约定层次，一般是从复杂到简单依次进行划分。在FMECA中约定层次可划分为“初始约定层次”、“约定层次”和“最低约定层次”。初始约定层次定义为要进行FMECA总的、完整的产品所在的约定层次中的最高层次。它是FMECA最终影响的对象。相继的约定层次(第二、第三、第四等)，这些层次表明了直至较简单的组成部分的有顺序的排列。最低约定层次为约定层次中最底层的产品所在的层次。它决定了FMECA工作深入、细致的程度。14应力分析法实施步骤以下为SM800智能透平控制器约定层次的划分与定义SM800智能透平控制器IO通道部分CPU部分电源部分DI通道部分DO通道部分非隔离AI通道部分隔离AI通道部分AO通道部分FI通道部分SO通道部分DI通道部分单片机FPGA晶振隔离AI通道电源(+/-15V)IO通道电源(+/-15V)IO通道电源(5V)CPU板电源(5V)CPU板电源(3.3V)CPU板电源(1.2V)器件1器件2器件3…约定层次最低约定层次初始约定层次15应力分析法实施步骤各约定层次之间存在着一定的关系，即低层次产品的故障模式是紧邻上一层次的故障原因；低层次产品故障模式对高一层次的影响是紧邻上一层次产品的故障原因。产品名称故障模式故障原因最终影响严酷度类别产品名称故障模式故障原因高一层次影响最终影响严酷度类别产品名称故障模式故障原因高一层次影响最终影响严酷度类别局部影响局部影响局部影响高一层次影响(最低约定层次)(约定层次)(初始约定层次)16应力分析法实施步骤产品的功能框图用于描述产品的功能，它不同于产品的原理图、结构图、信号流图，而是表示产品各组成部分所承担的任务或功能间的相互关系，以及产品每个约定层次间的功能逻辑顺序、数据(信息)流、接口的一种模型。保证汽轮机正常运转数字量输入数字量输出模拟量输入(隔离)模拟量输入(非隔离)频率量输入伺服量输出信号输入输出数据运算传输控制器IO口扩展提供时钟信号信号处理供电…DI通道(011)DO通道(012)隔离AI通道(013)非隔离AI通道(014)FI通道(015)SO通道(016)单片机(021)FPGA(022)晶振(023)…IO通道(01)CPU(02)智能透平控制器电源(03)17应力分析法实施步骤IO通道电源(032)(+/-15V))CPU板电源(033)(3.3V)FPGA(022)非隔离AI通道(014)CPU板电源(034)(1.2V)单片机(021)CPU板电源(035)(5V)晶振(023)系统电源(031)(24V)可靠性框图是描述产品整体可靠性与其组成部分的可靠性之间的关系，它不反映产品间的功能关系，而是表示故障影响的逻辑关系。如果产品具有多项任务或多个工作模式，则应分别建立相应的任务可靠性框图。以下分别为非隔离AI通道工作在单通道和冗余双通道模式时的任务可靠性框图。非隔离AI通道单通道模式任务可靠性框图IO通道电源(032)(+/-15V))CPU板电源(033)(3.3V)FPGA(022)非隔离AI通道(014)CPU板电源(034)(1.2V)单片机(021)CPU板电源(035)(5V)晶振(023)系统电源(031)(24V)非隔离AI通道(014)非隔离AI通道冗余双通道模式任务可靠性框图18应力分析法实施步骤实施硬件FMECA时，首先要对初始约定层次的产品(一般为元器件)进行分析，在对系统最底层的元器件进行分析时，首先分清元器件的来源，即所采用的元器件是国产元器件还是进口元器件，因为GJB/Z299C-2006电子设备可靠性预计手册中规定国产元器件和进口元器件采用两个不同的标准进行预计，如对KOA(进口)和风华(国产)生产的各方面完全相同的金属膜电阻进行可靠性预计，KOA生产的金属膜电阻的工作失效率预计模型为：PbEQTS风华(国产)生产的金属膜电阻的工作失效率预计模型为：PbEQR除预计模型不一样之外，两种电阻的基本失效率数据也是大相径庭，因此，弄清元器件的来源是十分必要的。19应力分析法实施步骤此外，很多元器件的基本失效率都和它的应力系数(降额系数)相关，所以，需要参考被分析产品的元器件的降额设计。当缺乏热分析数据时，可以采用下列公式计算元器件的结温：20JATTC30JATTC40JATTC(二极管)(三极管)(集成电路)最后，结合系统的任务可靠性框图，从最底层的元器件开始对系统的各个功能块进行分析，在此分析结果的基础上完成对整个系统的分析。20应力分析法实施步骤被分析系统的失效概率为：111mmnSMjPijjjiSMjjPijijmn其中，为被分析系统的失效率，为系统第种失效模式的失效概率，为导致系统产生第种失效模式的第个元器件的失效的失效概率，为被分析系统的失效模式种类数，为系统产生第种失效模式的器件失效的种类数。j21元器件计数法实施步骤如果