česky english Vítejte, dnes je pátek 22. červen 2018

Jak pracuje software pro odhad spolehlivosti

DPS 2/2018 | CAD/CAE/CAM - články
Autor: Ing. Milan Klauz CADware s. r. o.
c01.jpg

Abychom si mohli vysvětlit, jak pracuje software pro prognózu spolehlivosti elektronického zařízení, je vhodné se nejdříve zmínit o spolehlivosti jako takové.

Spolehlivost je měřítkem schopnosti výrobku vykonávat požadované funkce v daném prostředí po stanovenou dobu. Když mluvíme o spolehlivosti, máme na mysli její odhad, předpověď, protože není možné ji stoprocentně zjistit, natož zaručit. Odhad spolehlivosti předvídá frekvenci selhání součástek a celého systému v daném období.

Otázkou by mohlo být, proč se spolehlivostí vlastně vůbec zabývat. Jsou výrobky, jejichž uživatelé přímo vyžadují doklad o odhadu jejich spolehlivosti, například v případech vojenských, bezpečnostních, leteckých, kosmických, automotive, zdravotnických a dalších zařízení. Výrobci těchto zařízení tento doklad většinou požadují od dodavatelů dílčích částí, aby si pak sami mohli udělat představu o spolehlivosti celého systému. Kvalifikovaný odhad spolehlivosti ve stadiu vývoje nového výrobku je ovšem užitečný i v běžných případech, protože umožňuje posoudit návrh provedení, porovnat alternativy, včas identifikovat problémy a průběžně sledovat možnosti vylepšování spolehlivosti. Tak lze vyvinout funkční výrobek efektivním způsobem.

Mnozí výrobci spoléhají na zkušenosti s podobným výrobkem, který se osvědčil v minulosti, nebo na výsledky testování prototypu. Testování je časově náročná operace, nehledě na to, že se nalezený problém musí opravit a testování provést znova. Spoléhání na zkušenost s podobným výrobkem zase předpokládá těsnou vazbu s ním, zejména použití stejných součástek a výrobních procesů.

Pravděpodobnou spolehlivost vyjadřujeme pomocí výrazů MTBF (Mean Time Between Failure) pro opravitelná zařízení nebo MTTF (Mean Time To Failure) pro zařízení, která se po prvním selhání vyřadí. Zatímco MTBF naznačuje možnou dobu mezi dvěma následujícími poruchami, MTTF je doba do první poruchy, kdy životnost zařízení končí.

Každý komponent má určitý koeficient nespolehlivost FR (Failure Rate), který udává počet selhání během dané doby (v miliónech hodin) a značí se písmenem λ. Tento koeficient se mění v průběhu životnosti zařízení, zejména na začátku a ke konci jeho životnosti. V ustáleném stavu používání zařízení se považuje za konstantní a potom platí, že FR a MTBF jsou navzájem převrácené hodnoty. Je ovšem nutné říci, že použití FR a MTBF s sebou přináší zjednodušené předpoklady o spolehlivosti. Na toto téma existuje celá řada odborné literatury.

Nyní se podívejme na faktory, které spolehlivost elektronického výrobku ovlivňují a které pak programy pro odhad spolehlivosti berou v úvahu.

Druh a provedení součástky

Tak například kondenzátor (druh) může být proveden jako keramický nebo tantalový a určitě bude mezi nimi rozdíl ve spolehlivosti. Tantalový kondenzátor je nejen nejméně spolehlivý, ale navíc u něho probíhá s časem změna hodnoty (Value Drift).

Počet součástek

Jistě není žádné překvapení, že s vyšším počtem součástek klesá spolehlivost celého systému.

Zatížení součástek (Parts Stress)

Součástky vytížené až na mezní dovolené hodnoty mají výrazně menší spolehlivost. I tato úloha by měla být při prognóze spolehlivost řešena – tzv. „Component Derating“ upozorní na nevhodně dimenzované součástky a navrhne jejich nové vhodné hodnoty.

Teplota

S vyšší teplotou klesá spolehlivost součástek, i když u každé jinak. I předimenzované součástky se stávají nespolehlivé při svých mezních hodnotách teploty.

Doba použití

Spolehlivost se měří ve vztahu k době provozu. Delší doba, nižší spolehlivost.

Provozní prostředí

Vlhko, výkyvy teploty, vibrace, mechanické namáhání a další okolnosti ovlivňují spolehlivost.

Výroba, provedení detailů

Provedení desky plošných spojů a její výroba se rovněž podílí na spolehlivosti elektronického výrobku, stejně jako fyzické propojení jednotlivých částí systému.

Zde je třeba říci, že neexistuje software, který by bral v úvahu všechny výše uvedené okolnosti, které ovlivňují spolehlivost, zejména poslední dva body – provozní prostředí a výrobu. Většina programů předpokládá, že tyto faktory budou z pohledu spolehlivosti vyhovující. Pokud je však třeba se na ně také zaměřit, provede se odhad spolehlivosti odděleně. Existuje i software, který řeší spolehlivost právě z tohoto pohledu, včetně detailů pájených spojů vývodů součástek, teplotních poměrů na desce, vibrací a dalších mechanických záležitostí. Vraťme se však k softwaru pro výpočet spolehlivosti na základě dat o součástkách a jejich zatížení.

Otázku správného odhadu spolehlivosti elektronických zařízení řeší několik uznávaných metod, z nichž nejstarší a stále často používaná je metoda MIL-HDBK-217F vyvinutá již před mnoha lety pro americkou armádu. Postupně se vyvinuly další metody, např. Bellcore TR332, Telcordia SR332, Siemens SN29500 , British Telecom HRD4 a HRD5 a další.

Když se podíváme na metodu HDBK-217F, vidíme, že udává FR (Failure Rate) data a modely pro elektrické namáhání součástek (Stress Models) v závislosti na 14 různých prostředích použití, zejména ve vztahu k vojenským účelům. Je obecně akceptována pro vojenské i komerční aplikace. Odhaduje spolehlivost pro okolní teplotu zařízení v rozsahu 0 °C až 125 °C. Její nevýhodou je, že je již staršího data a nebere tak v úvahu novější typy a provedení součástek. Její výsledky proto mohou být u nevojenských aplikací horší, než ve skutečnosti jsou.

Program fiXtress

Příkladem softwaru pro určení očekávatelné spolehlivosti je program fiXtress od izraelské firmy BQR. FiXtress je modulový program pro analýzu spolehlivosti elektroniky, který se skládá z několika částí:

  • fiXtress ASR (Automatic Schematic Review) – kontrola správnosti zapojení ve schématu a detekce vzniku možných chyb. Ke své činnosti potřebuje výpis součástek a zapojení (partlist a netlist).
  • fiXtress MTBF – výpočet MTBF metodou „Parts Count“ (50% zatížení součástek) nebo metodou „Parts Stress“ (hodnoty elektrického zatížení ve V, A a W jsou zadány součástkám ručně) při dané teplotě, pro dané prostředí a vybranou metodu výpočtu. Ke své činnosti vyžaduje pouze výpis součástek (partlist).
  • fiXtress Rapid – výpočet MTBF s ohledem na namáhání součástek (Parts Stress) zjištěné pomocí vlastní DC analýzy nebo zadaných hodnot V, A, W, pro dané prostředí a vybranou metodu výpočtu. Ke své činnosti potřebuje výpis součástek a zapojení (partlist a netlist).
  • fiXtress Precise – výpočet MTBF s ohledem na skutečné namáhání součástek zjištěné pomocí přesné analýzy vlastním simulátorem AC/ DC/bus pro dané prostředí a vybranou metodu výpočtu. Ke své činnosti vyžaduje výpis součástek a zapojení (partlist a netlist) a vstupní data.

Program fiXtress sice navazuje na CAD/CAE programy (partlist a netlist), ale nemá podobu grafického editoru – jedná se o tabulkový procesor pro zadávání dat (obr. 1).

cad1
Obr. 1 Uživatelské prostředí programu fiXtress při výpočtu MTBF

Modul fiXtress ASR není nutnou součástí výpočtu předpokládané spolehlivosti, ale je považován za vhodnou volbu. Zkontroluje totiž schematické zapojení s ohledem na možné chyby, které jinak zůstanou většinou nepovšimnuty např. chybné hodnoty součástek, chybějící součástky, nesprávné zapojení atd. Pokud totiž není schéma v pořádku, nemůže mít výsledný produkt vypočtenou spolehlivost. K analýze schématu stačí načíst výpis materiálu a zapojení (partlist a netlist).

Jak se postupuje při výpočtu spolehlivosti v dalších modulech? Zde je stručný postup fungování základního modulu fiXtress MTBF, který pracuje pouze s informacemi o součástkách a jejich počtem – buď tzv. metodou „Parts Count“, která nebere v úvahu skutečné zatížení součástek, ale předpokládá jejich 50% zatížení, nebo metodou „Parts Stress“, kdy se skutečné nebo odhadnuté provozní zatížení součástek zapíše ručně do tabulky (v hodnotách V, A nebo W podle toho, jak se udává jmenovitá hodnota – napětí pro kondenzátory, výkon pro rezistory atd.):

  • Definuje se nový projekt a podmínky pro výpočet spolehlivosti:
    • metoda výpočtu z nabídky programu, např. HDBK-217F buď pro Parts Count, nebo Parts Stress,
    • teplota prostředí (např. 30 °C),
    • použití zařízení z nabídky podle vybrané metody (pozemní, námořní, vzduch atd.).
  • Načte se výpis materiálu (partlist) nebo se součástky (RefDes, Typ) zapíší do tabulky ručně.
  • Zkontroluje se, zda načtené součástky mají odpovídající modely v knihovně. Pokud nemají, potom je lze v editoru knihovny vytvořit.
  • Pokud se výpočet provádí metodou Parts Count, program předpokládá 50% zatížení součástek.
  • Pokud se výpočet provádí metodou Parts Stress, ručně se k součástkám zapíší hodnoty elektrického zatížení (např. 20 V u kondenzátoru nebo 0,5 W u rezistoru atd.). Tyto hodnoty jsou odměřené, vypočítané nebo jen odhadnuté. Pokud se vytížení nezapíše, program, počítá s 50% zatížením, podobně jako při metodě Parts Count.
  • Analýzou zadaných dat vypočte program FR a MTBF celku z dat Failure Rate (FR) jednotlivých součástek – viz obr. 1, kde výsledné Failure Rate celé sestavy je 1,129122 / milión hodin, což činí MTBF 885 644 hodin.
  • Generují se potřebná hlášení a grafy podle nastavení uživatele (obr. 2, 3, 4 a 5).

cad2
Obr. 2 Jedno z výsledných hlášení programu fiXtress

cad3Obr. 3 Jedno z detailních hlášení programu fiXtress

cad4
Obr. 4 Podíl jednotlivých skupin součástek na selhání

cad5
Obr. 5 Jeden z výsledků - MTBF v závislosti na teplotě

Jak by se postupovalo v případě výpočtu spolehlivosti v závislosti na skutečném zatížení součástek v daném zapojení bez nutnosti zapisovat hodnoty zatížení manuálně? K tomu slouží zbývající dva moduly – fiXtress Rapid a Precise. Ty umožňují analyzovat zapojení a zjišťovat zatížení součástek. Zatímco Rapid zjišťuje zatížení DC součástek s pomocí Kirchhoffových zákonů a ručně zapsaných údajů, Precise využívá vlastní AC/DC/bus simulátor. Výsledky (zatížení P-stress, napětí V-stress a proudy I-stress) jsou potom automaticky vygenerovány do tabulky (obr. 1) a použity pro výpočet spolehlivosti.

Výhodou výpočtu v programu fiXtress Rapid a Precise je možnost zjištění nedostatečně dimenzovaných i předimenzovaných součástek. Program pak může provést tzv. „Component Derating“, což spočívá ve stanovení nových vhodných hodnot součástek. Vývojář, který pracuje na schematickém zapojení, je tak včas upozorněn na možné problémy se správným dimenzováním použitých součástek.

Pravděpodobná spolehlivost zjištěná s ohledem na zatížení součástek a jejich derating dává lepší (příznivější) výsledky v porovnání s metodou „Parts Count“, která počítá s 50% zatížením součástek, protože mnoho součástek není většinou vytíženo až na 50 %.

Prognóza spolehlivosti výpočtem s použitím softwaru je jedním z kroků v konceptu vývoje spolehlivého výrobku označovaném jako DFR – Design For Reliability. DFR zahrnuje další metody, které mají za úkol zajistit co nejpřesnější odhad spolehlivosti. Více informací na toto téma je uvedeno například v článku „DFR aneb proč a jak se zabývat spolehlivostí výrobku při jeho návrhu“ publikovaném v DPS č. 5/2015 a dostupném také na portálu DPS. Další informace o programu fiXtress jsou k dispozici na www.cadware.cz.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik