最壞情況（Worst Case）系列文章將分析與執(zhí)行最壞情況電路分析（WCCA）相關的難題。這種分析對許多高可靠性應用（比如汽車、太空和醫(yī)療領域的應用）至關重要。雖然它的應用一直在擴大，但質(zhì)量往往令人懷疑。本系列文章將重點討論正確執(zhí)行WCCA所需的技能、資源和技術，以及WCCA為何難以做好的一些原因。

如果您正在考慮WCCA，那么請繼續(xù)關注Worst Case系列文章。您將了解需要哪些技能來正確執(zhí)行WCCA，以及為什么WCCA需要進行單獨的調(diào)研，而不是作為設計職能的一部分。它不是一個簡單的打勾復選項，也不是一個可以簡單地交給任何工程師的任務。此外，您不能將其用作培訓“初級”工程師的學習任務。

為什么工程師會搞砸WCCA？

正確執(zhí)行WCCA所需的技能各不相同，但每一個對結果都至關重要。在講授WCCA技巧時，我經(jīng)常發(fā)現(xiàn)工程師們即使是第一次做，也都迫切地想自己搞定這個重要的分析。培訓一名新工程師至少需要9個月到一年的時間。即便如此，在分析驗證和完成之前，還有多個層次的評估。雖然大家都知道WCCA非常重要，但通常將它視作防止缺陷、召回、危險和失敗的最后一道防線。

鑒于以上這些考慮，我匯總了一個WCCA問題清單，以幫助大家獲得期望的成功結果。無論是公司、項目經(jīng)理，還是大多數(shù)工程師，大家都渴望快速修復他們的電路“漏洞”。然而，沒有合適的工具、技能和經(jīng)驗，你的努力注定要失敗。WCCA就好比你第一次自己動手做家里的水電修理工。

Worst Case系列文章將幫助您避免一些WCCA誘惑，比如只想節(jié)省成本，或者請專業(yè)人士來支持這一流程或執(zhí)行分析，或者至少清楚意識到他們正在做的工作。雖然WCCA應該由設計團隊以外的人來執(zhí)行——無論是公司內(nèi)部還是外部的人員——您都應該了解WCCA的概念、陷阱和目標。

以下是我們將要介紹的五個Worst Case主題：

1.單獨行動：為什么最壞情況的電路分析難以執(zhí)行（即本文）

2.不嚴謹

3.模型、模型、模型

4.蒙特卡洛出錯了

5.我的數(shù)據(jù)存在漏洞：測試數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)手冊問題

6.太多的逃避與偏見

什么是WCCA？

最差情況分析是對電路或系統(tǒng)的功能性性能表現(xiàn)進行的定量評估，包括制造、環(huán)境、老化等方面，甚至包括太空應用的輻射容限。這與基于器件的分析——比如壓力和降額、失效模式、效應和關鍵性分析（FMECA）以及平均故障間隔時間（MTBF）不同。所有這些分析在可靠性評估中都占有一席之地，而且彼此在數(shù)學、模型和得出的結論之間也會存在重疊。

通過最壞情況分析，您可以計算電路性能的許多方面，并評估計算出關鍵指標的風險和收益。WCCA檢查由于元器件潛在的巨大和未知變化而超出其初始標稱值，從而導致電子電路容限引起的影響。這些變化可能是制造、老化或環(huán)境影響的結果，這些都可能導致電路偏離其原有規(guī)范范圍。

WCCA還可以評估電路性能隨這些變化的數(shù)學敏感性，并提供統(tǒng)計和非統(tǒng)計方法來處理影響電路性能的變量。這些結果對于幫助提高產(chǎn)品質(zhì)量非常有價值。圖1顯示了WCCA與各種基于器件的分析之間的交互關系。

圖1：各種可靠性評估方法之間的關系對于生產(chǎn)可靠的產(chǎn)品至關重要，包括功能性WCCA評估，以及基于局部部件的壓力分析、FMECA和MTBF等。

單獨行動

美國航空航天工程師的平均年齡是47歲。至少在一些學科領域，工作不能由外國人承擔。包括最壞情況壓力和降額分析以及最壞功能性分析在內(nèi)的各種分析，都需要許多不同的技能和豐富的經(jīng)驗，我們將在這個Worst Case系列文章中逐一介紹。

成功實施WCCA所需的技能和知識包括：

·了解電子設計及其功能性子模塊的要求。

·深入相關電路應用的設計經(jīng)驗，比如正確使用電源、放大器電路或微處理器接口等。

·了解元器件特性，它們的性能差別，以及相關的電路靈敏度。請參閱下面的規(guī)則示例。

·電路建模：能夠以適當?shù)谋Ｕ娑葹樵骷碗娐飞蒘PICE、IBIS和其他仿真模型；了解如何審查和調(diào)整供應商提供的模型（很少有足夠準確的），能夠利用一些好的模型的現(xiàn)有模型庫；能夠將模型與測試數(shù)據(jù)相關聯(lián)；最后，知道每個模型的容限。

·數(shù)學：能夠為電路編寫數(shù)學方程式。

·測試：能夠利用適當?shù)脑O備分別在器件、功能模塊和系統(tǒng)級進行收集和解釋測試數(shù)據(jù)。這一點將在稍后的文章中更深入地介紹。

·容差：了解容差累積；環(huán)境容忍度，老化容限的歷史數(shù)據(jù)庫；以及太空應用的輻射數(shù)據(jù)。

·工具：SPICE電路仿真器可以滿足大部分應用的要求，但可以對電路和PCB進行仿真的EM/諧波平衡模擬器——比如Keysight的ADS或Cadence的Sigrity——正變得越來越重要。數(shù)字分析工具也很重要，比如Mentor, a Siemens Business的Hyperlynx，當然還有Mathcad和Excel（圖2）。

圖2：高效的電路分析需要一系列工具、經(jīng)驗、數(shù)據(jù)和應用知識。

因此，雖然很多計算方法的參數(shù)——比如極限值分析（EVA）、靈敏度和蒙特卡羅分析——是一樣的，但每種分析的范圍和焦點都不同，這取決于所分析的每個功能電路塊的特性。

關鍵分析不應由初級工程師或合同工執(zhí)行，他們沒有必要的經(jīng)驗和工具來發(fā)現(xiàn)和解決問題。如果你想要正確的結果，那就不要將WCCA當做培訓項目。

設計師不是分析師

設計師和分析師有不同的技能。作為一名設計師，你最后一次走進你老板的辦公室說“看我怎樣能搞定我的電路”是什么時候？對設計師來說，考慮最壞的情況是不正常的。在設計過程中做出的錯誤假設通常會在分析過程中重復出現(xiàn)。無論喜歡與否，設計師都會產(chǎn)生偏見，他們通常只是通過標稱結果和統(tǒng)計上有限的歷史性能數(shù)據(jù)做出判斷。然而，設計者在WCCA過程中起著重要的作用，包括需求支持、標稱模型的開發(fā)、標稱分析，各階段的測試，以及參與WCCA評審等。

鑒于WCCA所需的多種技能，采取團隊協(xié)作的方法幾乎是必不可少的。WCCA分析應由獨立小組設立和執(zhí)行——獨立可將“制衡”置于分析之中。人員的選擇也是一個因素。讓一位初級工程師與一位經(jīng)驗豐富的老手一起工作是一回事，但僅僅由高級工程師完成審查是不夠的。它必須由經(jīng)驗豐富的人員執(zhí)行，無論是公司內(nèi)部的人還是外部專家。

WCCA實例：靈敏度分析

圖3展示了一個線性穩(wěn)壓器電路。下面的方程式表示該線性穩(wěn)壓器電路輸出電壓調(diào)節(jié)的靈敏度計算公式。首先，在這個穩(wěn)壓器的案例中，定義輸出函數(shù)的方程已經(jīng)寫出（VOUT……）。然后采用這些導數(shù)來計算每個相關部分參數(shù)相對于輸出函數(shù)的靈敏度。靈敏度乘以各個分量的容差，然后相加以產(chǎn)生最差的結果（最小-最大電壓調(diào)節(jié)范圍）。靈敏度分析功能很強大，因為它可以告訴你什么是重要的。

圖3：線性穩(wěn)壓器電路提供了出色的靈敏度分析示例 - 這是功能最強大的WCCA方法之一。

那么，您怎么知道哪些參數(shù)是相關的并且需要包含在基本的方程中？這就要靠經(jīng)驗了。

2.5V輸出調(diào)節(jié)電壓

標稱2.5V輸出調(diào)節(jié)電壓

+2.5VDC電壓調(diào)節(jié)VOUT的偏導數(shù)

VOUT相對于分量參數(shù)的偏導數(shù)如下所示。

+2.5VDC輸出調(diào)節(jié)靈敏度

單位是伏特每元件單位（例如電阻器為V/Ω）

靈敏度大小告訴你哪個參數(shù)對輸出函數(shù)影響最大，在本示例中是調(diào)節(jié)電壓項。靈敏度的符號也很重要，因為它能告訴我們當參數(shù)改變時輸出變化的方向。如果您想購買更好的元件以提高性能或修復不合規(guī)情況（比如要求更嚴格的容差），則可以通過靈敏度分析來重新計算最壞情況的結果?；蛘呦喾?，如果您不想破費，仍然可以通過靈敏度分析來計算你的性能能夠達到什么水平。