基于SIMetrix仿真的核电仪控电路最坏情况分析

2023-06-17周宇

仪器仪表用户 2023年7期

周宇

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

最坏情况分析（Worst Case Analysis，简称WCA）是容差分析技术的一种，是一种全面系统分析电路可靠性的方法，在电子可靠性设计中占有重要地位。当电路性能受到多方面变化因素的影响时，包括输入条件变化、环境变化、负载变化、元器件老化、辐射等。若上述所有因素在电路工作允许范围内变化，但这些变化因素组合在一起导致电路性能达到了“最劣”，则称为“最坏情况”。若处于“最坏情况”的电路其输入输出性能仍能满足技术规格，则说明该电路满足最苛刻条件下的规格要求。WCA 正是一项在设计限度内预测电路性能稳定性的重要技术，在设计阶段利用WCA 技术可以及时发现电路的薄弱环节，以满足电路的长寿命及高可靠性要求[1]。

核电厂的控制板卡尤其是核心板卡，寿命要求长，可靠性要求高。其稳定性严重影响整个控制系统的工作性能，出现故障会导致控制异常甚至停堆等严重事故。因此，对核电厂重要控制卡件的电路性能做WCA 具有重要意义。

1 最坏情况分析的方法

目前进行WCA 一般使用3 种不同的方法：极值分析法、平方根分析法、蒙特卡洛分析法，其具体比较见表1。这3 种方法适用于不同的条件与场合，应根据具体情况进行选择。面对不同的局限性，在完成最坏情况分析后需要通过实验来验证，并且收集产品运行的数据，为新的设计提供材料[2,3]。

表1 最坏情况分析3种方法的对比Table 1 Three methods of WCA

极值分析法（Extreme Value Analysis）是将电路所有变量设定为最坏值时对电路输出性能影响所做的分析，需要分析最坏值的最大值和最小值。在多参数的情况下要获得最坏情况极值，需要所有参数变量的最坏情况组合。

平方根分析法（Root Square Sum Analysis）是指电路在所有的输入参数均相互独立且已知各参数分布的均值和方差情况下，考虑电路性能对各个参数的灵敏度，按标准差的平方和的平方根为电路性能的标准差，再假设电路性能服从正态分布，从而得到电路性能参数在给定概率下的极值[4]。

蒙特卡罗（Monte Carlo）分析法是一种统计分析方法，在用于进行电路的WCA 时具体操作如下。在电路的组成参数偏差服从任意分布的情况下，对电路的组成参数进行抽样，利用抽样值分析计算得到电路输出性能参数的偏差。假设电路性能参数服从正态分布，电路所有的输入参数均相互独立且服从某种概率分布，将经随机抽样产生的各个元器件参数值代入电路方程，即可计算得到电路性能参数值。重复以上步骤多次可得到电路性能参数的分布参数值，从而得到性能参数在给定概率下的极值。

2 最坏情况电路性能分析的基本流程

最坏情况电路性能分析流程如图1 所示，具体步骤的内容介绍如下：

图1 最坏情况分析流程图Fig.1 The flow chat of WCA

1）电路功能模块分割。将电路原理图按功能模块进行分割，再通过选择合适的分割点将功能模块分割成更小的子电路，以便在减少分析电路性能参数复杂度的同时，更有针对性地进行分析。同时，与最坏分析相关的原理图、电路结果框图、输入和输出接口及信号性质都需要说明。

2）确定分析内容。根据电路的具体功能和实际应用条件明确分析对象，即明确待分析电路的性能参数，如比较器输出的脉宽、幅值等。

3）确认电路各种条件。由于电路并不是独立存在的，因而需要确认电路的各种条件，包括收集整个电路的指标以及各个子电路的接口性能要求（如输出负载、输入信号、输出的性能指标等参数）、各个子电路之间的传递参数，列出电路的工作环境要求（如：温湿度和气压等）。

4）确认元器件参数范围。首先，详细列出元器件的清单、器件型号、额定参数、降额因子，以及器件参数偏差范围与分布等建立参数模型；然后，明确元器件的工作应力类型，如电容的耐压和电感的电流等；最后，计算元器件的最坏情况工作应力，并将最坏情况工作应力与允许工作应力进行比较分析。

5）建立电路分析模型。通过相关软件建立电路输入和输出的对应关系，包含电路性能参数、元器件参数以及各输入量之间的数学关系。

6）最坏情况分析。基于上述工作选择合适的WCA 方法进行最坏情况电路性能分析。

7）改进措施：把电路最坏情况的分析结果与电路性能指标要求进行比较分析，若分析结果满足指标要求，则证明电路满足设计要求，可结束分析；若分析结果不满足要求，则应相应提出改进方案，如元器件参数的更改，再进行分析验证。

3 基于SIMetrix仿真的电路分析模型

SIMetrix 是由英国SIMetrix 开发的高性能电路仿真软件，是一款基于SPICE 的增强型仿真器，类似于PSpice 和LTspice，可兼容PSpice 模型和原理图导入。SIMetrix 软件自带器件库，收敛性好，仿真速度快，具有丰富的分析手段，可执行元器件参数的敏感度和WCA 分析。

本文设计某种核电控制板卡中交流电的相位信号采集电路，该电路用于铀棒升降控制的反馈系统，是控制板卡中的关键电路。相位信号采集电路如图2 所示，其工作原理为：当比较器的X2（LM211）的正向输入端电压大于反向输入端电压，X2 输出高电平，开关管Q1 开通，电容C1通过R14 和Q1 放电；反之开关管Q1 断开，U1（TL431）稳压源电路通过R12 与开关管Q2 给C1 充电。

U1（TL431）稳压源电路的工作原理：输出电压由外部电阻R16 和R17 来设定，输出电压Vo=Vref×（1+R16/R17），Vref 为U1 的内部参考电压。本文重点分析稳压源电路在最坏情况下能否稳定输出。

根据第3 节的分析，三相交流信号采集电路的输入输出的规格及要求见表2，元器件的容差参数总结见表3。最坏情况下与电路性能相关的器件参数主要有额定偏差、温度影响、老化影响和辐射影响等，本文只考虑温度和老化对器件参数造成的影响[2,5]。下面仿真中采用极值分析法对电路进行分析。

表2 信号采集电路的分析信息Table 2 The information of signal acquisition circuit

表3 元器件的容差参数Table 3 The parameters of components tolerance

4 电路仿真分析及改进

在SImetrix 软件中搭建以上原理图，并按照BOM 中元器件的参数设定器件的最大容差，得到输出电压Vo 的波形如图3 所示。从图3 可以看出：输出电压Vo 典型值为12.26V，对应纹波电压为5mV，下限值为11.3V，对应纹波电压为3mV；上限值为13.285V，对应纹波电压为430mV，超过规格要求。通过观察TL431 的IKA的电流波形值不满足规格书的设计要求范围（1mA ～100mA），从而导致输出电压波形异常。如图4 所示，在最差条件下IKA的电流小于1mA。

图4 极值条件下TL431的IKA电流波形Fig.4 The current waveform under extreme conditions

TL431 的IKA的工作电流值在工作中满足线性电源调节的原理，即TL431 的IKA的工作电流值等于输入电流减去负载电流。为了使TL431 的IKA的工作电流值满足规格书的设计要求范围（1mA ～100mA），在不改变后级电路的工作状态情况下，通常通过增大输入电流来满足设计要求，即在将电阻R15 从原来的300Ω 降低到150Ω，增大输入电流。改进参数后的仿真波形如图5 所示。输出电压Vo 典型值为12.27V，对应纹波电压为5mV，下限值为11.34V，对应纹波电压为3mV；上限值为13.3V，对应纹波电压为9mV，可以满足设计要求。