最悪ケースの回路解析

最悪ケース回路解析 (WCCAまたはWCA)は、テスト、製造、および配送の前や最中に、潜在的な欠陥や不具合が確実に特定され、排除されるように設計をスクリーニングするコスト効率の高い手段です。

WCCAは、製造、環境、経年劣化の影響を考慮した機器性能の定量的な評価です。回路解析に加えて、WCCAには、ストレスおよびディレーティング解析、故障モード影響致命度（FMECA）、信頼性予測（MTBF）が含まれることがよくあります。

具体的な目的は、最悪の条件と許容範囲（初期、経年変化、放射線、温度など）の下で、設計寿命全体にわたってシステム性能仕様を満たす動作を提供できるほど設計が堅牢であることを確認することです。

応力解析および定格出力低下解析は、許容応力限界に対して十分な余裕を持たせることで信頼性を向上させることを目的としています。これにより、故障を引き起こす可能性のある過応力状態が低減し、寿命中の応力誘起パラメータ変化率が低下します。また、システム内の各コンポーネントに適用される最大応力を決定します。

一般情報

安全性と経済性の両方が重要なすべての回路に対して、ワーストケース回路解析を実施する必要があります。ワーストケース回路解析とは、部品のばらつきを考慮し、ワーストケース（極端な環境条件または動作条件）における回路性能を決定する解析手法です。環境条件とは、各回路部品に加わる外部ストレスと定義されます。これには、温度、湿度、放射線などが含まれます。動作条件には、外部からの電気入力、部品の品質レベル、部品間の相互作用、部品の経年変化によるドリフトなどが含まれます。

WCCAは、長期的なフィールド運用に備えてハードウェアの設計信頼性を構築するプロセスを支援します。電子部品の故障は、2つの異なるモードで発生します。

許容範囲外の制限: これにより、回路はパフォーマンスが低下しても動作し続け、最終的には回路の必要な動作制限を超えてしまいます。

MTBF、ストレスとディレーティング、およびすべてのコンポーネントが適切にディレーティングされ、劣化が「順調に」進行していることを保証するのに役立つFMECA分析を通じて、壊滅的な故障を最小限に抑えることができます。

WCCA を使用すると、すべての半値許容差の組み合わせにおける回路のパフォーマンス限界を予測および判断できます。

WCCAを実施する理由はたくさんあります。スケジュールとコストに影響を与える可能性のある理由をいくつかご紹介します。

必要理由
設計検証と信頼性回路の動作を検証し、部品の許容範囲と動作条件における動作マージンを定量化します - 回路は機能を実行し、仕様を満たしますか？/WCCAはリスクを定量化します
回路性能の向上 - 設計をより最適化/理解し、性能を左右する要因を特定の特性や許容範囲に対してコンポーネントがどの程度敏感であるかを決定します。
回路が他の設計と適切にインターフェースしているかどうかを検証します
部品の故障や許容範囲外モードの影響を判断する
テストコストの削減測定が困難、高価、または不可能なパフォーマンスの側面を評価する（つまり、ハードウェアを損傷しないように入力刺激と出力負荷の影響を決定する）
ATP制限の設定に役立ちます
テスト中の選択調整とその必要性、およびその制限を検証します
テストの量と範囲を削減
部品評価部品が本来の用途に適しているか（安すぎるか、高すぎるか、適切な特性があるか）、あるいは新しい技術を使用できるかどうかを判断します。
重要なパラメータとSCD要件/スクリーニング定義をサポート/設定します
モデルは、シングルイベントトランジェント（SET）解析を実行するために使用できます。
スケジュール、コスト、契約上のリスクの軽減ボードの回転を削減 - 後期段階の設計や部品の変更の影響を判断
従来の回路の変更や部品の交換による影響を検証します
より良い保険料を取得したり、契約上の責任を軽減したりできます
分析により、壊滅的な事故や高額な費用がかかる事故を回避できます

方法論

ワーストケース解析とは、デバイス（またはシステム）が性能仕様を満たしていることを保証するための解析です。これらの解析では通常、初期部品公差、温度公差、経年公差、環境曝露（宇宙機器の放射線など）に起因する公差を考慮します。寿命初期解析は初期公差を含み、製造試験サイクルにおけるデータシートの制限値を提供します。寿命末期解析は、デバイスまたはシステム内の要素に対する経年劣化と温度の影響によって生じる追加の劣化を考慮します。

この解析は通常SPICEを用いて行われるが、感度や最悪の場合の性能を判断するには、デバイス（またはシステム）内の個々の回路の数学的モデルが必要となる。[ 1 ]結果を合計して要約するためにコンピュータプログラムが頻繁に使用される。

WCCA は次の手順に従います。

  1. 回路モデルの生成/取得
  2. モデルを検証するための相関関係を取得する
  3. 各コンポーネントパラメータに対する感度を決定する
  4. 部品の許容誤差を決定する
  5. 各コンポーネントパラメータの分散を感度×絶対許容差として計算する
  6. 結果を保証するために、少なくとも2つの分析方法（例えば、手分析とSPICE、またはSaber、SPICEと測定データ）を使用する
  7. 生成された情報を伝えるための正式なレポートを作成する

設計は適切な機能セクションに分解されます。回路の数学的モデルが構築され、部品／システムの様々な許容誤差の影響が適用されます。回路のEVAおよびRSS結果は、寿命開始時と寿命終了時の状態で決定されます。

これらの結果は部品の応力計算に使用され、他の解析にも適用されます。WCCAを製品ライフサイクル全体にわたって有効に活用するためには、解析結果を明確かつ簡潔な形式で文書化することが極めて重要です。これにより、将来の更新や元の設計者以外の者によるレビューが可能になります。結果とすべての問題点を明確に示すコンプライアンスマトリックスが生成されます。

参考文献

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