基于CARMES的电路故障仿真与最坏情况分析技术

张三娣，胡宁，郭爱民

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

现代工业与科学技术的迅速发展使得先进装备的结构和功能越来越复杂，自动化程度越来越高。电子系统与设备已成为现代装备中最重要的组成部分，其可靠性水平在很大程度上决定了装备的使用效能。电路故障仿真基于电子设计自动化 （EDA：Electronic Design Automation）仿真技术，通过故障注入等手段有效地支撑产品设计阶段的性能与可靠性综合设计分析，方便设计人员及时地发现系统缺陷并改进电路设计，是一种低投入、高成效、高精度的可靠性分析方法，能够缩短系统的研制周期、节省设计费用，是实现性能与可靠性一体化设计的重要途径。

1 电路故障仿真概述

电路仿真就是把设计好的电路图通过仿真软件的用户界面 “输入”到计算机，利用计算机分析或模拟电路的连接和功能特性，把电路的 “输出”通过不同的形式显示出来[1-2]。与传统的电路分析数学、物理方法相比，电路仿真在运算效率和精度方面具有显著的优势，为大规模电路的设计分析提供了便捷、高效、自动化的解决方案。

电路故障仿真技术按照其实现方式可分为软件仿真、实物仿真和半实物仿真。其中，软件仿真通常以专业的EDA仿真引擎 （如Multisim、PSpice等）为内核，利用经典、成熟的电路理论和算法，结合故障注入等技术，通过计算机高速迭代运算来模拟电路工作的过程，根据运算过程产生的数据对电路工作状态进行分析。该技术具有实施难度低、效费比高等优势，是最为常用的电路故障仿真技术。

基于软件的电路故障仿真可实现可靠性设计技术与电子产品设计技术的融合，使可靠性设计真正贯穿于产品设计的全过程，进而提高电子产品可靠性设计水平。它以系统设计过程中绘制的电路原理图为基础，应用开发的软件工具可方便地进行故障建模、故障注入，调用EDA软件对电路进行仿真，通过电路正常状态仿真与故障仿真的结果比较，结合最坏情况分析技术进行故障判断和影响分析，进而提出电路系统的改进建议。电路故障仿真的原理如图1所示，其关键技术包括EDA软件接口、故障建模、故障注入等。

在这种分析方法中，注入的故障模型往往是EDA软件所不包含的非标准模型，基于这些模型的最坏情况分析结果比直接利用EDA软件进行分析获得的结果更符合系统的实际情况；故障对系统最终影响的分析结果，是从电路原理图出发直接进行仿真分析，因而可以准确地识别电子系统的设计缺陷和潜在故障，帮助设计人员优化电路设计。

2 电路故障仿真关键技术

2.1 EDA软件接口

EDA已成为现代电子产品设计的主流技术。建立电路故障仿真与EDA软件的接口，可实现电子产品性能设计与可靠性设计的融合，使可靠性设计真正落实到产品的设计过程，也是获得高可靠产品的关键。本文通过读取电路描述文件实现与Multisim、PSpice等EDA软件的接口，识别已建立的电路模型。以Multisim为例，其数据接口采用文本格式的文件，可以直接读取：

文件中，每一行描述电路图中的一个元器件及其连接关系。仿真时每个元器件按照描述的模型或默认模型进行仿真。模型的描述，同样采用文本格式的文件，以便于编辑和自定义。

2.2 故障建模

电路的故障模型是指电路中含有故障因素或故障模式的仿真模型[3]。本文在建立元器件故障模式模型库的基础上，通过元器件模型重组实现电路的故障建模。其中，元器件故障模型库可分为两类：

a）按产品类别的通用故障模型

以GJB/Z 299C[4]中的产品分类方法和故障模式为基准，提供各类元器件各种故障模式的仿真模型，如表1所示。

b）按产品型号规格的专用故障模型

以通用故障模型为基础，根据实际需求进行修改，或者重新定义。

表1 故障仿真模型示例

2.3 故障注入

故障仿真是对一个或多个元器件发生某种故障后的电子系统进行仿真，模拟元器件在各种故障模式下的工作状态及其对整个电路的影响。故障注入即应用元器件模型重组后的故障模型代替原有的器件模型，从而形成具有故障因素描述的电路网络拓扑。使用故障注入的方法可以对每个元器件的每种可能的故障模式进行模拟仿真。

实践经验表明，基于软件的故障注入方法比物理故障注入，或通过仿真软件修改电路图后再进行故障仿真分析的效率要高得多，能够更加有效地识别电路中的薄弱环节。本文主要通过以下两种方式实现基于软件的故障注入：

a）改变元器件模型的参数

可通过修改.net文件实现，替换其中故障的元器件信息，并保存到原位置。例如，某电阻模型的初始信息如下：

R_RS1 N00061 N002401k

将其阻值修改为极小，即可得到其短路的故障模型：

R_RS1 N00061 N002401E-100

b）改变元器件模型

部分器件的故障注入方法如表2所示。

表2 故障注入控制表示例

3 基于CARMES的电路故障仿真与最坏情况分析实现

3.1 CARMES 简介

CARMES是由工信部电子五所自主研发的五性工程软件。自2001年推出以来，经过近10个版本的持续创新改进，CARMES已成为集成化的五性工程专业平台，在RMS工程领域得到广泛的应用。CARMES的电路故障仿真和最坏情况分析模块CFSWCA具有强大的仿真模型库和丰富的数据接口，可通过元器件容差注入、电路故障仿真和最坏情况分析，协助实现产品设计与可靠性设计一体化。

CARMES-CFSWCA的界面如图2所示，其主要功能包括：

1）电路图导入；

2）电路正常状态仿真；

3）元器件仿真模型参数库；

4）电路故障注入与故障仿真；

5）故障状态与正常状态下的仿真比较；

6）电路容差注入；

7）最坏情况分析。

3.2 电路故障仿真

在通常情况下，在进行故障注入之前需要对电路进行一次正常状态仿真 （也称无故障仿真），这是故障仿真结果比较和判断分析的依据。

故障判定即通过仿真结果的比较分析来判断系统功能状态是否发生故障。电路故障仿真应用数字信号处理相关的技术对正常与注入故障后的电路输出信号进行比较分析，根据预先设定的故障判据自动地比较每次的故障仿真结果与正常仿真结果，判断电路在该元器件的故障模式工作下探测点的工作状态 （正常/故障）。

以图2左下方所示的电路为例，通过自动故障仿真得到正常与故障状态的仿真结果比较如图3所示，图中左上方为正常状态的仿真结果，通过右侧的窗口可以选择查看注入不同的故障模式后的仿真结果，并在窗口左下方显示。与正常状态的仿真结果相比，容易发现注入电阻R_RC1短路故障后，V（OUT1）输出信号具有明显的异常。

3.3 最坏情况分析

最坏情况是指电路中的元器件参数在其容差域边界取某种组合时，所引起的电路性能的最大偏差。最坏情况分析就是在给定电路元器件参数容差的情况下，估算电路性能相对标称值的最大偏差。

进行最坏情况分析的前提是电路中具有包含容差参数的元器件模型，通过添加、编辑模型参数设定元器件模型的容差，设定完毕后再通过故障注入将该模型重组到电路拓扑文件，从而实现元器件的容差参数设置，方便、快捷并易以管理。

图2 CARMES故障仿真软件界面

图3 仿真结果比较分析

CARMES-CFSWCA提供的最坏情况分析程序包括：

1）直流扫描分析；

2）交流小信号分析；

3）瞬态分析。

分析结果包括标称情况与最坏情况的比较，并可输出最坏情况时各元器件的参数漂移量。图2中电路的最坏情况分析结果如图4所示，两条曲线即为标称值情况和最坏情况的频响曲线，各容差元器件的漂移量如表3所示，最坏情况下电容C_C1漂移了15%，电阻R_RBIAS漂移了6%。

图4 最坏情况分析结果

表3 元器件漂移量 （最坏情况）

4 结束语

电路故障仿真融合电子产品设计技术与可靠性设计技术，实现了电子产品的性能与可靠性一体化设计分析。在EDA技术广泛应用的现状下，通过电路故障仿真可以充分地利用电路设计与产品研制阶段的大量可靠性数据，协助设计人员尽早地识别并消除产品的主要故障模式和设计缺陷，避免生产过程中大量人力财力的浪费。因而，该技术的推广和应用对于提高产品的可靠性设计水平、缩短研制周期、降低设计成本和风险具有重要意义。

[1]储成伟.PSpice电路仿真程序设计 [M].北京：国防工业出版社，2006.

[2]杨欣，王玉凤，刘湘黔.电路设计与仿真——基于Multisim 8与 Protel2004[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]赵广燕，孙宇锋，康锐，等.电路故障仿真中的故障建模、注入及判定方法研究[J].微电子学与计算机， 2007， 24 （1）：143-146.

[4]GJB/Z 299C-2006，电子设备可靠性预计手册[S].