СПОСОБ ОЦЕНКИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ЗАПАСОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2020 года по МПК G05B23/02 

Способ оценки и обеспечения параметрических запасов работоспособности электронных устройств (ЭУ) относится к способам контроля параметров ЭУ и актуален для контроля параметров ЭУ (П_ЭУ), используемых в аппаратах и системах с длительным сроком эксплуатации.

Пусть имеется ЭУ, обеспечивающее преобразование входных сигналов х_вх в параметр П_ЭУ. Известны также ограничения на П_ЭУ по минимально и максимально допустимым отклонениям в эксплуатационных условиях (П_minдоп, П_maxдоп). Тогда для каждой реализации ЭУ разности и - запас работоспособности ЭУ по отношению к нижнему и верхнему ограничениям соответственно.

Наличие параметрических запасов работоспособности - обязательное условие для обеспечения надежного функционирования ЭУ, так как при изменении входных сигналов х_вх в установленных пределах, а также других воздействий (факторов), влияющих на функционирование ЭУ (температура, питающие и др. напряжения), происходит изменение П_ЭУ. При наличии запаса работоспособности ΔП такие изменения не сказываются на работе систем (приборов и др. устройств), использующих ЭУ.

Известны способы оценки и обеспечения запасов работоспособности, которые для оценки запасов работоспособности предлагают использовать метод рабочих областей (см. Маслов А.Я., Татарский В.Ю. «Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры». - М., «Советское радио», 1972), а для обеспечения длительной безотказной работы ЭУ конструктивными (введение регулировок) и другими методами устанавливать при изготовлении ЭУ уровни П_ЭУ на равном удалении от нижнего и верхнего ограничений, т.е. Однако такая слишком общая рекомендация не учитывает случайного характера сочетаний указанных ранее факторов, а также того обстоятельства, что в составе системы такие сочетания возникают при эксплуатации с разными вероятностями, что практически невозможно с необходимой полнотой воспроизвести методом рабочих областей.

Известен также способ математического планирования эксперимента (МПЭ), основанный на воспроизведении в процессе исследований предусмотренных в матрице планирования (МП) возможных отклонений воздействий (см. Барабащук В.И., Креденцер Б.П., Мирошниченко В.И. «Планирование эксперимента в технике». - Киев: «Техника», 1984). Способ позволяет, воспроизводя возможные отклонения воздействий, которым подвержено ЭУ в эксплуатационных условиях, фиксировать отклики выходных параметров ЭУ на указанные отклонения. Однако способ не предполагает оценку запасов работоспособности.

Для заявленного способа выявлены общие с прототипом существенные признаки: экспериментальное воздействие на ЭУ совокупности факторов, которым оно подвержено в эксплуатационных условиях, воспроизведение в N опытах над ЭУ возможных отклонений этих воздействий, предусмотренных в МП для эксперимента, и фиксирование откликов выходных параметров ЭУ.

Технической проблемой предлагаемого способа является повышение надежности работы ЭУ.

Решение поставленных задач достигается способом оценки и обеспечения параметрических запасов работоспособности ЭУ, заключающимся в проведении эксперимента, при котором на электронное устройство (ЭУ) воздействуют совокупностью факторов, которым оно подвержено в эксплуатационных условиях. В соответствии с методологией МПЭ воспроизводят в N опытах над ЭУ возможные отклонения этих воздействий, предусмотренные в МП для эксперимента, и фиксируют отклики выходных параметров ЭУ. Согласно заявленному изобретению N опытам по фиксированию откликов выходных параметров подвергают выборку k электронных устройств и, используя результаты эксперимента с выборкой, оценивают возможные отклонения выходных параметров ЭУ в условиях каждого опыта. Рассчитывают в каждом опыте запас работоспособности как разность между возможными минимальными и максимальными отклонениями параметров ЭУ и допустимыми отклонениями. Полученные результаты используют как количественные параметрические показатели запаса работоспособности, а также для обеспечения необходимых запасов работоспособности ЭУ. Исходя из длительности функционирования ЭУ и возможного изменения их параметров вследствие деградационных процессов, производят замену элементов ЭУ (например, транзисторы, интегральные микросхемы и др.) и изменяют их размещение в пределах конструкции, изменяют электрические режимы элементов, а затем отдают предпочтение варианту реализации ЭУ, обладающему необходимыми запасами работоспособности.

Предлагается способ оценки и обеспечения параметрических запасов работоспособности ЭУ, заключающийся в экспериментальном воздействии на выборку k ЭУ совокупности факторов, которым они подвержены в эксплуатационных условиях; в проведении, в соответствии с методологией МПЭ, N опытов над каждым ЭУ по фиксированию откликов их выходных параметров при воспроизведении возможных отклонений этих воздействий, предусмотренных в МП для эксперимента; в определении значений параметров ЭУ в каждом опыте и оценки параметрических запасов работоспособности относительно заданных ограничений на П_ЭУ по минимально и максимально допустимым отклонениям как разности между величиной ограничений и полученными значениями параметров соответственно.

Порядок реализации способа.

Пусть ЭУ (фиг. 1) претерпевает воздействие входных (х_вх), внешних (х_внш) и внутренних (х_внт) факторов, где

- х_вх - входные сигналы, подлежащие функциональному преобразованию, пройдя через ЭУ;

- х_внш - условия внешней среды (эксплуатационные условия) - температура, влажность, давление и др., в которых функционирует ЭУ;

- х_внт - разброс параметров комплектующих, взаимовлияние элементов внутри ЭУ и др. различные от образца к образцу ЭУ факторы, влияющие на выходные параметры (отклики) ЭУ.

При экспериментальной отработке ЭУ последние подвержены испытаниям, которые это допускают, например, на двух уровнях x_min (-) и x_max (+) в соответствии с МП для МПЭ с одним образцом ЭУ - фиг. 2.

В МП, например, х₁ - входное воздействие, х₂ - питающее напряжение, х₃ - температура окружающей среды. Каждому набору воздействий, опыту (строки МП) соответствует уровень П_ЭУ.

Удобно результаты МПЭ для одного образца ЭУ согласно МП представить в виде графика (факторограммы) - фиг. 3, где по оси абсцисс - номера опытов (1, 2, 3, 4, …, 8), по оси ординат - результаты измерения П_ЭУ (точки П₁, П₂, П₃, П₄, …, П₈ условно соединены для наглядности) и заданные ограничения на П_ЭУ по минимально и максимально допустимым отклонениям (П_minдоп, П_maxдоп).

Так как влияние х_внт не может быть достигнуто варьированием, его моделируют, подвергая испытаниям некоторое количество образцов ЭУ. При этом результаты МПЭ для этих образцов ЭУ согласно МП образуют коридор откликов - фиг. 4, где k - количество образцов, подвергнутых МПЭ.

Так как k всегда ограничено и не может отражать свойства генеральной совокупности (малая выборка), используют методы математической статистики, чтобы оценить возможные разбросы отклонений П_ЭУ, например, толерантные пределы ( и - нижний и верхний пределы соответственно).

П^t=П_ср±k^tS(N), где

- П^t - толерантные пределы П_ЭУ в каждом опыте ( и - нижний и верхний соответственно);

- П_ср - среднее значение П_ЭУ по результатам МПЭ;

- k^t - табулированный толерантный коэффициент;

- S(N) - оценка среднеквадратичных отклонений П_ЭУ в каждом опыте.

Тогда, располагая полученными данными и ограничениями на по минимально и максимально допустимым отклонениям (П_minдоп, П_maxдоп), можно оценить запас работоспособности относительно указанных ограничений как и в пределах каждого опыта (фиг. 4). С учетом разбросов отклонений П_ЭУ в пределах каждого опыта указанные величины ( и ) получают разбросы от ΔП_min до ΔП_max.

Располагая полученными оценками запасов работоспособности для каждого варианта реализации ЭУ разработчик, исходя из длительности функционирования ЭУ и возможного изменения их параметров вследствие деградационных процессов, может стабилизировать некоторые воздействия для получения нужных уровней запасов работоспособности, производить замену элементов ЭУ и изменять их размещение в пределах конструкции (для минимизации взаимовлияния), изменять электрические режимы элементов, а затем выбирать оптимальную реализацию для достижения необходимых запасов работоспособности в опытах, имеющих большую вероятность при эксплуатации.

Таким образом, техническим результатом заявленного способа является определение значений параметров ЭУ в каждом опыте и получение оценок параметрических запасов работоспособности в эксплуатационных условиях при массовом производстве, а также использование результатов этих оценок для выбора оптимального варианта реализации ЭУ, внесения изменений в реализацию ЭУ, позволяющих обеспечить необходимые запасы работоспособности.

Данная совокупность признаков, предложенная авторами, не была обнаружена при проведении поиска аналогов для решения поставленных задач и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Рассмотренный способ можно использовать в аппаратах и системах с длительным сроком эксплуатации, где требуется массовое производство ЭУ.

Изобретение относится к контролю электронных устройств. В способе оценки и обеспечения параметрических запасов работоспособности электронных устройств воздействуют на электронное устройство, воспроизводят отклонения этих воздействий и фиксируют отклики выходных параметров. Используя результаты эксперимента, оценивают возможные отклонения выходных параметров в условиях каждого опыта. Рассчитывают в каждом опыте запас работоспособности как разность между возможными минимальными и максимальными отклонениями параметров и допустимыми отклонениями. Затем заменяют элементы электронных устройств и изменяют их размещение в пределах конструкции. Изменяют электрические режимы элементов, а затем отдают предпочтение варианту реализации электронных устройств, обладающему необходимыми запасами работоспособности. Повышается надежность работы устройств. 4 ил.

Способ оценки и обеспечения параметрических запасов работоспособности электронных устройств, заключающийся в том, что проводят эксперимент, при котором на электронное устройство (ЭУ) воздействуют совокупностью факторов, которым оно подвержено в эксплуатационных условиях, воспроизводят в N опытах над ЭУ возможные отклонения этих воздействий, предусмотренные для эксперимента, и фиксируют отклики выходных параметров ЭУ, отличающийся тем, что N опытам по фиксированию откликов выходных параметров подвергают выборку k электронных устройств и, используя результаты эксперимента с выборкой, оценивают возможные отклонения выходных параметров ЭУ в условиях каждого опыта, рассчитывают в каждом опыте запас работоспособности как разность между возможными минимальными и максимальными отклонениями параметров ЭУ и допустимыми отклонениями и полученные результаты используют как количественные параметрические показатели запаса работоспособности, а также, исходя из длительности функционирования электронных устройств и возможного изменения их параметров вследствие деградационных процессов, производят замену элементов электронных устройств и изменяют их размещение в пределах конструкции, изменяют электрические режимы элементов, а затем отдают предпочтение варианту реализации электронных устройств, обладающему необходимыми запасами работоспособности.