引信起爆控制电路冗余设计技术研究

肖龙远，李豇，胡斌，黄琨

(中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900)

引信系统主要承担安全控制、起爆控制两大功能。安全控制功能阻止引信意外解保，主要通过串联在起爆能量通道上的冗余、独立的保险件实现。起爆控制功能通过无线电、光、声、磁等物理场探测识别弹目交会参数，自主识别目标与起爆条件，按照预定的起爆模式发出起爆控制信号。对目标传感器信息进行处理、决策的电路称为起爆控制电路。由于起爆控制电路承担着最终发出引爆指令的任务，其可靠性历来受到工程设计者的高度重视。

起爆控制电路一般基于嵌入式微处理器实现，与其类似的产品包括弹载计算机、星载计算机等。起爆控制电路特点是：

1)贮存时间长，工作时间短。引信系统的贮存期长达10年以上，期间不加电。工作时间仅在弹目交汇的数分钟到数秒间不等。

2)一次性动作。尽管起爆控制电路是可以重复使用，但其最终动作将导致火工品动作，使得其自身也称为一次性产品。加之弹目交汇区、最佳毁伤点范围较小，仅有的一次动作机会下，早动(造成早炸)、晚动(造成瞎火)都会使作战效果大打折扣。

3)可靠性指标要求极高。

4)具有可检测性。引信安全控制电路在贮存和发射前是不允许直接加电检测的。但起爆控制电路与安全性无关，具有可测试性。

对引信起爆控制电路的可靠性设计鲜见报道。文献[1]针对集束弹药引信进行了研究，仅简单地假设了采用控制电路双套并联的模式，并未探讨该模式对引信整体可靠性提升的贡献。文献[2]对两种冗余模式的引信可靠度进行了基于数理统计的预计，各模块可靠性范围是基于假设，且并未考虑长期贮存剖面。对于弹载计算机，因其一次性消耗、无人操纵、执行任务相对单一、飞行时间短等特点，多采用无裕度配置方式[3]。而星载计算机常年在空间辐照环境下运行，针对单粒子效应和总剂量效应一般采取多模冗余架构[4]。

笔者根据起爆控制电路的可靠性特点，采用数理统计和故障物理相结合的方法，详细比较了双套并联冗余和非冗余方案(称为单套设计)的可靠性水平差异，结合电路设计实例，给出了工程方案选择建议。

1 起爆控制电路方案设计

给出某引信起爆控制电路的两种设计方案：双套并联冗余方式；单套设计方案。

双套并联冗余设计方案如图1所示。采用了两片微处理器，外配相应的电源模块、存储器、总线控制器、AD芯片。为了便于双套之间调度，采用串口进行片间通信。假设系统采用了两种目标传感器，分别采用总线接口和模拟信号与起爆控制电路相连。因为两种传感器采用了不同的物理场探测技术，所以是互补关系，传感器数据应该综合进入到微处理器中进行信息融合、决策，即交叉并联模式。当然，一个传感器对应一个处理器的模式也是一种选择，即独立并联模式。微处理器的输出驱动能力较弱，一般需要进行功率驱动才能使得脉冲功率电路中的高压开关动作，所以处理器外配置功率驱动电路。

单套设计方案相对简洁，如图2所示。

根据两种方案，分别设计两种起爆控制电路。两种电路所采用的元器件型号一致，暂不考虑软件故障，采用数理统计和故障物理方法比较两种方案的可靠性差异。

2 基于数理统计的可靠性预计

基于数理统计的可靠性建模与预计方法充满争议，根源在于其所依赖的基础数据和模型的准确性。但是，在进行多方案比较和选择，尤其是架构设计阶段缺乏产品的详细物理模型和参数时，基于数理统计的可靠性预计结果是有指导意义的[5-6]。

引信经历贮存剖面、运输剖面、检测剖面、飞行工作剖面。引信主要受温度、湿度影响，贮存剖面时间最长；运输剖面受长时间低频振动影响，但引信电路一般要承受较高量级的飞行力学环境，所以运输振动影响相对来说可以忽略；检测剖面有数分钟到数秒量级的电应力，影响相对较小；飞行剖面需承受飞行力热环境和电应力，但时间极短。基于上述分析，引信可靠度可以表示为

R=R0R1，

(1)

式中：R0为引信的贮存可靠度；R1为引信工作可靠度。

因为贮存期内导弹需要检测维修，引信系统产生的故障也将得到检测，R0应采用基本可靠性模型，无论单套还是双套，均为所有元器件的全串联模型。工作期间引信属于一次性产品、不可维修，所以R1采用任务可靠性模型，单套方案采用串联模型，而双套并联方案的可靠度为两个单套方案并联的结果。

单套实验电路共用元器件20种90个：电容器4型31个；微处理器、存储器、CAN收发器、晶振、磁珠、电感、线性稳压器各1片；电阻7种46只；二极管1种5只；MOSFET为1只。根据元器件清单，对照GJB 299C—2006查找各元器件的工作剖面下的失效率，对照GJB/Z 108A—2006查找各元器件非工作剖面下的失效率，进行预计。贮存寿命取10 a，加电工作时间1 min，预计结果如表1所示。

表1 基于数理统计的可靠度预计结果

从预计结果看出，起爆控制电路单套设计方案比双套并联冗余方案全寿命期可靠度略高(0.99>0.98)。其原因是：极短工作时间(1 min)，双套并联不能带来可靠度实质性的增长，反而由于其贮存时间极长，贮存带来的产品可靠度下降比较明显，双套并联将带来更大的贮存失效风险。

3 基于故障物理的可靠性预计

故障物理(PoF，physics-of-failure)方法通过分析产品的故障模式，了解故障变化的本质，研究故障产生的机理，建立材料、结构等性能参数与环境应力之间的关系模型，从而揭示故障发生和发展的过程。与基于数理统计的预计方法不同，故障物理是对故障微观层面的认识，对产品设计的改进有直接的指导意义。针对电子产品来说，将所有的元器件、零部件和互连等看成是潜在故障点，分析这些潜在故障点可能存在的故障模式、故障机理，而后根据产品寿命周期的环境条件和工作应力，确定可能发生的故障，并收集该故障所对应的物理模型中的材料、结构、工艺等参数。

认识到产品故障机理后，一种方式可以建立产品的数字模型，利用计算机仿真得到各故障点的应力，结合故障物理模型及概率化方法，得到可靠性指标；另一种方式是采用基于服役应力加载的试验方法，如加速寿命试验或可靠性强化试验，来评估寿命。笔者按照引信电路在寿命期内承受的应力类型进行分类，并分别按照故障物理仿真和加速试验的方法进行可靠性预计。

3.1 温湿度应力导致的失效

只要在正常范围内，温湿度应力对元器件、焊点、印制板产生的影响是缓慢的过程，而引信的贮存时间最长，因此主要考虑贮存期内温湿度应力的影响。考虑到元器件内部结构复杂性和多样性，难以建立准确的材料、结构模型，笔者主要以加速试验的方式评估其贮存寿命。制造印制板组件后，根据所有元器件的材料、结构特性，识别敏感参数。因元器件均进行了密封设计，所以对湿度不敏感，采用基于温度为主的加速试验，获得贮存寿命评估结论，主要器件情况如表2所示。

表2 元器件加速寿命试验结论

试验结果表明，元器件、焊点、印制板的贮存寿命均能满足20 a以上的要求，这与是否采用冗余并无关联，或者说，并不需要冗余设计来弥补贮存寿命的不足。

3.2 力学环境应力导致的失效

引信在寿命期内的运输、机动、发射、飞行等剖面会经受力学环境，某典型引信的周期力学环境可等效为“振动1→冲击1→振动2→冲击2→振动3→冲击3→加速度”的序贯环境试验条件。笔者采用的单个循环周期力学条件特征如表3所示。表中PSD是指功率谱密度(Power Spectral Density)。

表3 某引信生命周期内力学环境条件

力学应力主要对焊点造成疲劳损伤，最后导致断裂。由随机振动引发的焊点疲劳失效属于高周疲劳失效，其疲劳寿命计算可采用Steinberg模型[7]：

(2)

式中：N2为疲劳循环寿命，经历1次表3序贯环境试验条件称为1个循环；N1为Steinberg方程的寿命，通常取2×107；b为焊料振动疲劳因子，一般取0.156，针对不同焊料，根据其振动试验S-N曲线的结果取值；Z1为Steinberg方程的位移(mm)，计算公式为

(3)

式中：t为印制板层的厚度(mm)；L为封装体器件的长度(mm)；B为平行于器件的PCB板层的长度(mm)；c为不同封装类型的器件常数，分别取值1.0(标准双列直插式封装DIP)、1.26(小外形封装SOP、塑封无引线芯片载体PLCC、方型扁平式封装QFP)、1.5(球栅阵列BGA)、2.25(无引线芯片载体)；Z2为最大允许位移(mm)，计算公式为

(4)

式中：Pmax为指定的最大功率谱密度(g2/Hz)；Rxy为相对板层的器件曲率；fn为PCB板的固有频率(Hz)。

根据环境条件，获得最大功率谱密度，计算Z1、Z2，代入式(2)即可得到焊点振动疲劳循环寿命。

计算结果表明，板级电路上4个BGA封装器件属于最薄弱环节，其失效前循环数均低于10 000次，但远大于1 000次。4个DIP封装失效前循环次数如表4所示，其中，损伤率均为10-3以下,远小于1，说明距离失效裕量充足。

表4 DIP封装失效前循环数

计算表明，只要元器件质量合格、电装工艺得到有效控制，引信电路板在引信典型力学环境条件剖面下有足够的可靠性。

文献[1]对集束弹药引信电路板进行了失效物理仿真，加载的条件包括：18 a可控的贮存环境、2 a失控贮存环境、公路运输、炮筒发射冲击。仿真结果表明，20 a贮存期后，最薄弱点损伤率仍低于0.14，产品满足寿命要求。

3.3 电应力导致的失效

引信起爆控制电路在寿命周期内面临定期检测和飞行过程加电工作两种电应力，两者的加电时间都很短，基本小于1 min。

一般认为集成电路主要的失效机理有4种，包括：热载流子注入(HCI，Hot Carrier Injection)、负偏压温度不稳定性(NBTI，Negative Bias Temperature Instability)、与时间相关的介质层击穿(TDDB，Time Dependent Dielectric Breakdown)以及电迁移(EM，Electromigration)。根据文献分析其失效时间：

1)热载流子效应。是MOS管漏端高能电子和空穴注入到栅氧引起器件的特性退化。文献[8]对环形振荡器进行了仿真，该电路基于0.25 μm的CMOS工艺制造，电源电压2.5 V。仿真结果表明，产生HCI效应需要10 a以上加电工作。

2)负偏压温度不稳定性。高温条件下，当栅上加一负偏压时, PMOSFET器件的特性会发生显著的退化。随着器件尺寸的不断减小，超深亚微米PMOSFET的NBTI效应已经成为限制器件可靠性的重要因素之一。文献[9]对65 nm体硅工艺的PMOSFET进行了测试，结果表明，1 000 s后各项直流参数变化约5%。当前引信电路主要集中在微米级工艺，该失效模式不显著，且并未在工程中观察到。

3)与时间相关的介质层击穿。在长时间低电压作用下，电子产品栅极氧化层会逐渐发生击穿效应而失效。经仿真和试验表明[10]，TDDB效应的产生以年计。

4)电迁移。晶体管特征尺寸进入到了纳米级，但是电源电压并没有按相应的比例降低，导致金属互连线中的电流密度不断增加。在外加电场影响下，阴极电子向阳极方向流动，已知电子、金属离子相互碰撞会转移动量给金属离子，促使金属离子跟随电子运动，引发质量传输，实体上就会形成空洞或小丘，造成金属导体断路或者短路，这一现象称为电迁移。典型计算表明，铝合金互连线在电流密度5.3 GA/m2、105 ℃条件下工作10 a的EM失效概率小于0.13%。

上述分析表明，在引信起爆控制电路工作的数分钟到数秒钟内，集成电路本身产生的失效可以忽略。

4 结论

极长的贮存时间、极短的工作时间和一次性工作的特点，赋予了引信电路独特的可靠性特点。基于数理统计的可靠性预计表明，非冗余设计方案在全寿命周期内的可靠度高于冗余方案。基于故障物理的可靠性试验和仿真表明，正常的贮存、运输、飞行所产生的力、热、电应力不足以引起引信起爆控制电路失效，无论是冗余设计还是非冗余设计电路，只要控制好初始缺陷，其可靠性是有足够保证的。

除了对抗、侵彻等极端环境带来的过应力失效外，引信电路在实际工程中所出现的问题大多可归结为初始缺陷，这种缺陷无法通过冗余设计来预防，最佳的实践是通过简化设计、通用化设计来降低设计缺陷、制造缺陷。非冗余设计方案将使得软硬件简洁、电磁兼容性好，更有利于设计师聚焦产品固有质量，且对引信小型化、低成本有着实质性的改善。