潛在分析技術(shù)專題（1）——電路的潛在電路分析
一、什么是潛在分析、潛在電路分析
1、潛在分析的來源、起源
在阿波羅登月計(jì)劃期間，美國(guó)國(guó)家航空航天局官員在德克薩斯州休斯頓的載人航天器中心認(rèn)識(shí)到，潛在電路是一種潛在的電氣硬件缺陷，可能會(huì)破壞關(guān)鍵設(shè)備并危及宇航員。因此，1968年初在阿波羅號(hào)上實(shí)施了一項(xiàng)潛在電路分析任務(wù)。一個(gè)由電氣和電子分析師以及數(shù)據(jù)處理專家組成的團(tuán)隊(duì)被指派識(shí)別阿波羅飛船中的潛在電路。一開始確定的另一個(gè)目標(biāo)是盡可能多地自動(dòng)化分析，以消除人為錯(cuò)誤并加快結(jié)果。
迄今為止，分析發(fā)現(xiàn)了60多個(gè)潛電路。其中大部分可以通過程序的改變來阻止。此外開發(fā)了一個(gè)可操作的計(jì)算機(jī)程序來自動(dòng)搜索電路路徑，從而消除了為了完成電路而從一個(gè)原理圖頁(yè)面追蹤到另一個(gè)原理圖頁(yè)面的繁瑣而耗費(fèi)人力成本的任務(wù)。通過使用該程序發(fā)現(xiàn)了許多原理圖錯(cuò)誤。
2、潛在分析、潛在電路的定義
波音公司在潛在電路分析手冊(cè)中給出的潛在電路的定義為：潛在電路是具有潛在異常電氣狀態(tài)的路徑，該潛在異常電狀態(tài)是由引起不想要的功能或抑制想要的功能的不明確的激勵(lì)-響應(yīng)引起的。應(yīng)注意的是，電氣狀態(tài)不僅包括電氣和電子元件，還包括相關(guān)的操作員觀察和由此產(chǎn)生的行動(dòng)。
《GJB 451A-2005 可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)給出了潛在狀態(tài)分析（Sneak analysis）的概念。潛在狀態(tài)分析是指確定在產(chǎn)品的所有組成部分均正常工作的條件下，能抑制正常功能或誘發(fā)不正常功能的潛在狀態(tài)的一種分析技術(shù)。包括針對(duì)電路的潛在電路分析（Sneak circuit analysis，簡(jiǎn)稱SCA）、針對(duì)液氣管路的潛在通路分析、針對(duì)軟件的潛在狀態(tài)分析。也稱潛在分析。也就是說，潛在分析包含了針對(duì)電路的潛在電路分析、針對(duì)液氣管路和軟件等的潛在通路分析。（注：本專題論述的潛在電路分析，主要是針對(duì)電路進(jìn)行潛在電路分析。如無(wú)特別說明，本專題所述的潛在電路、潛在通路均指針對(duì)電路的潛在電路進(jìn)行分析。針對(duì)液氣管路、軟件等類別的潛在通路將另作專題介紹。）
隨著我國(guó)裝備的發(fā)展，在《GJB 450B-2021 裝備可靠性工程通用要求》中，也明確了需要開展?jié)撛诜治龅囊蟆?/p>
由于潛在電路在設(shè)計(jì)中是隱藏的，常見的故障預(yù)防方法，如應(yīng)力分析、降額、冗余或環(huán)境屏蔽等對(duì)潛在電路的影響很小。目前使用的唯一預(yù)防措施是由專門從事潛在電路分析的專家或者承包商進(jìn)行深入的電路分析。
二、執(zhí)行潛在電路分析的成本
完成潛在電路分析所需的時(shí)間：若以人工方式分析復(fù)雜的系統(tǒng)，平均的潛在電路分析（SCA）（人工方式）可能需要1個(gè)月甚至幾個(gè)月才能完成。需要將系統(tǒng)的電子設(shè)備重新繪制成數(shù)百種網(wǎng)絡(luò)樹圖模式，并根據(jù)大量的潛在線索檢查每一種模式是一項(xiàng)耗時(shí)的任務(wù)。
分析成本：由于實(shí)施SCA分析需要專門SCA專家確定潛在線索，并基于潛在線索進(jìn)行潛在電路分析。所制定的潛在線索以及基于線索實(shí)施的潛在電路分析所需要的成本，是與產(chǎn)品的數(shù)量和設(shè)計(jì)復(fù)雜性相關(guān)。若不熟悉設(shè)計(jì)的外部專家實(shí)施SCA分析，可能需要花費(fèi)額外的時(shí)間和金錢來完成對(duì)設(shè)計(jì)功能和操作的詳細(xì)SCA分析。為了解決潛在電路的自動(dòng)化分析問題，經(jīng)過多年的積累，逐步形成了將專家知識(shí)積累到軟件中，通過潛在通路/電路分析軟件實(shí)施SCA工作，有效提高SCA分析的工作效率以及降低分析成本。
分析結(jié)果的應(yīng)用：實(shí)施SCA需要設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段的圖紙，以防止后期設(shè)計(jì)更改后，將新隱患引入系統(tǒng)。實(shí)施SCA分析并獲得分析結(jié)果后，需要花費(fèi)時(shí)間審查SCA分析結(jié)果，以及采取必要的糾正措施（包括硬件返工、召回或重新設(shè)計(jì)等），而不是僅僅是進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙更改。
三、潛在電路的類型
潛在電路可以歸納為下述四種表現(xiàn)形即“潛在通路”、“潛在時(shí)間”、“潛在標(biāo)志”和“潛在指示”。這些形式均將導(dǎo)致系統(tǒng)失效或操作失誤。
四、潛在電路分析的流程
1、波音公司的潛在電路分析流程
實(shí)施潛在電路分析的流程大同小異。其中，波音公司給出的潛在電路分析方法主要包括6步，分別為數(shù)據(jù)收集、劃分區(qū)域、數(shù)據(jù)輸入、路徑跟蹤、網(wǎng)絡(luò)樹繪制和分析。
數(shù)據(jù)收集：為了對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)執(zhí)行SCA，有必要收集“竣工”的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。這通常涉及收集所有原理圖、裝配圖、設(shè)計(jì)要求、印制電路圖和操作手冊(cè)。
劃分區(qū)域：要分析的電路被劃分為功能相關(guān)的節(jié)點(diǎn)集。這樣做的目的是將更大的系統(tǒng)劃分為更易于管理的部分。電路的劃分或分區(qū)域需遵循一組規(guī)則，從信號(hào)分布與配電電路的分離開始。保持節(jié)點(diǎn)集之間的系統(tǒng)連通性。
數(shù)據(jù)輸入：對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以將工程數(shù)據(jù)（如接線表和原理圖）轉(zhuǎn)換為便于使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行電路路徑跟蹤的格式。此活動(dòng)要求以表格形式輸入數(shù)據(jù)，以識(shí)別節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的連接。電氣設(shè)備被轉(zhuǎn)換為由節(jié)點(diǎn)之間具有適當(dāng)連接的一組節(jié)點(diǎn)表示的模型。
路徑跟蹤：編碼后的數(shù)據(jù)輸入到路徑跟蹤軟件，以識(shí)別系統(tǒng)中所有可能的電氣路徑。原始輸入數(shù)據(jù)和得到的路徑標(biāo)識(shí)創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，從中執(zhí)行進(jìn)一步的分析。
路徑跟蹤識(shí)別未端接的路徑（開放端、懸空接口），識(shí)別重復(fù)路徑，將路徑數(shù)據(jù)收集到節(jié)點(diǎn)集中，并交叉引用數(shù)據(jù)以識(shí)別節(jié)點(diǎn)集之間的連接。目前，路徑跟蹤更多是用軟件工具的算法執(zhí)行。利用這些軟件工具提供的數(shù)據(jù)手動(dòng)執(zhí)行進(jìn)一步的分析。
網(wǎng)絡(luò)樹繪制：從節(jié)點(diǎn)集數(shù)據(jù)中提取網(wǎng)絡(luò)樹來表示信號(hào)和功率的函數(shù)流。網(wǎng)絡(luò)樹是電路的精確拓?fù)浔硎尽＞W(wǎng)絡(luò)樹本質(zhì)上是電流的功能流程圖。網(wǎng)絡(luò)樹的大小受到限制以便于分析，并且連接被交叉引用到其他網(wǎng)絡(luò)樹。
分析：SCA本質(zhì)上是拓?fù)淠Ｊ阶R(shí)別，以及與每個(gè)拓?fù)湎嚓P(guān)的潛在“線索”（專家規(guī)則）的應(yīng)用。如果確定存在潛在通路情況，則需進(jìn)行額外的分析，以驗(yàn)證或反駁潛在通路的情況。
2、RADC的潛在電路自動(dòng)分析流程
美國(guó)RADC（Rome Air Development Center給出的潛在電路分析流程如下：
（1）原理圖/網(wǎng)表生成
首先，需要將電路原理圖生成網(wǎng)表。
（2）潛在通路分析
生成網(wǎng)表后，輸入SCAT并指定要處理的網(wǎng)表文件的名稱。然后，選擇執(zhí)行潛在通路分析或設(shè)計(jì)問題分析。比如對(duì)開關(guān)電源電路進(jìn)行潛在電路分析。
（3）結(jié)合功能的設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行分析
重點(diǎn)針對(duì)如下的功能進(jìn)行分析：
a）電源到電源的連接；
b）邏輯“與”開關(guān)設(shè)備意外切斷負(fù)載電源;
c）通過邏輯“或”開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的無(wú)意負(fù)載電源；
d）電源啟用和電源切斷的時(shí)間不正確；
e）錯(cuò)誤指示和標(biāo)簽。
五、避免潛在電路的典型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
在設(shè)計(jì)中基于相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，是避免潛在電路（通路）的一種重要手段。下面是一些典型的避免潛在電路的典型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：
a)、兩個(gè)或者多個(gè)電源接地
問題：涉及多個(gè)電源和/或多個(gè)接地回路的潛在通路
解決措施：設(shè)計(jì)電路時(shí)，使負(fù)載的所有電流從一個(gè)電源流到一個(gè)接地回路。在不可能的情況下，使用直流電源二極管或交流或直流電源繼電器（機(jī)電或固態(tài)）隔離電源。對(duì)于需要極低電壓降和功耗的直流應(yīng)用，可使用肖特基二極管或繼電器。通過分離高電流負(fù)載和低電流負(fù)載隔離回路。
b)、接地側(cè)電流斷開（連接器除外）
問題：由于負(fù)載接地側(cè)的電流斷開引起的潛在通路
解決措施：請(qǐng)勿將電流中斷元件（如開關(guān)、繼電器、斷路器、保險(xiǎn)絲）放置在接地回路中。如果需要連接器，則應(yīng)保持電源和接地回路對(duì)稱。
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c)、接地側(cè)電流斷開（包括連接器）--電路對(duì)稱性
問題：該情況是由位于負(fù)載接地側(cè)的連接器（或其他電流中斷設(shè)備）所引起的潛在通路。
解決措施：當(dāng)需要將連接器放置在負(fù)載的接地側(cè)時(shí)，保持電源和接地回路對(duì)稱。
d)、電源和接地連接器
問題：該情況是由于電源和接地連接器引起的潛在通路。
解決措施：避免使用單獨(dú)的連接器為電路提供電源和接地回路。
e)、向兩個(gè)或多個(gè)負(fù)載供電（“線或”電路）
問題：在“線或”電路中選擇備用路徑導(dǎo)致的潛在通路。
解決措施：“線或”只能在交替條件產(chǎn)生的效果完全相同的情況下使用。在某些特定條件下造成額外或變化的影響時(shí)，必須提供隔離措施。這個(gè)問題經(jīng)常出現(xiàn)在報(bào)警和聯(lián)鎖電路中。例如，當(dāng)設(shè)備門打開或環(huán)境溫度超過預(yù)設(shè)水平時(shí)，高壓電源將中斷。溫度傳感器還用于操作自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。在圖7A所示的設(shè)計(jì)方案中，打開設(shè)備門會(huì)按預(yù)期中斷高壓，但也會(huì)無(wú)意中打開噴水滅火系統(tǒng)。如果保護(hù)電路在直流電上工作，則可以通過在水平支路中添加二極管來消除潛在通路，如圖的B部分所示。如果電路使用AC，或者如果由于其他原因不需要二極管，則如圖的C部分所示，添加具有常開觸點(diǎn)布置的繼電器。
f)、兩個(gè)或多個(gè)電源向負(fù)載供電（特別是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器）--存儲(chǔ)器電源切換的潛在時(shí)序
問題：在切換到備用電源期間，由于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和其他重要負(fù)載的短暫瞬時(shí)斷電而導(dǎo)致的潛在時(shí)序問題。該情況主要是涉及不適當(dāng)?shù)剡x擇先斷后合或先合后斷開關(guān)觸點(diǎn)問題。
解決措施：對(duì)于小型存儲(chǔ)器，在進(jìn)行切換之前使用斷路器，并在切換期間使用足夠的電容來維持電壓。對(duì)于大型存儲(chǔ)器或防止主電源短路，請(qǐng)使用先通后斷開關(guān)和二極管隔離。
g)、手動(dòng)控制開關(guān)設(shè)備（開關(guān)標(biāo)簽）
問題：潛在標(biāo)簽導(dǎo)致與開關(guān)切換時(shí)的預(yù)期發(fā)生相反的動(dòng)作。
解決措施：除了標(biāo)記要控制的對(duì)象之外，還要根據(jù)執(zhí)行的操作對(duì)開關(guān)進(jìn)行標(biāo)記。比如標(biāo)記是開還是關(guān)。
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