潛在分析技術專題（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
在阿波羅登月計劃期間，美國國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識到，潛在電路是一種潛在的電氣硬件缺陷，可能會破壞關鍵設備并危及宇航員。因此，1968年初在阿波羅號上實施了一項潛在電路分析任務。一個由電氣和電子分析師以及數(shù)據(jù)處理專家組成的團隊被指派識別阿波羅飛船中的潛在電路。一開始確定的另一個目標是盡可能多地自動化分析，以消除人為錯誤并加快結(jié)果。
迄今為止，分析發(fā)現(xiàn)了60多個潛電路。其中大部分可以通過程序的改變來阻止。此外開發(fā)了一個可操作的計算機程序來自動搜索電路路徑，從而消除了為了完成電路而從一個原理圖頁面追蹤到另一個原理圖頁面的繁瑣而耗費人力成本的任務。通過使用該程序發(fā)現(xiàn)了許多原理圖錯誤。
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-響應引起的。應注意的是，電氣狀態(tài)不僅包括電氣和電子元件，還包括相關的操作員觀察和由此產(chǎn)生的行動。
《GJB 451A-2005 可靠性維修性保障性術語》標準給出了潛在狀態(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。包括針對電路的潛在電路分析（Sneak circuit analysis，簡稱SCA）、針對液氣管路的潛在通路分析、針對軟件的潛在狀態(tài)分析。也稱潛在分析。也就是說，潛在分析包含了針對電路的潛在電路分析、針對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，主要是針對電路進行潛在電路分析。如無特別說明，本專題所述的潛在電路、潛在通路均指針對電路的潛在電路進行分析。針對液氣管路、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>
由于潛在電路在設計中是隱藏的，常見的故障預防方法，如應力分析、降額、冗余或環(huán)境屏蔽等對潛在電路的影響很小。目前使用的唯一預防措施是由專門從事潛在電路分析的專家或者承包商進行深入的電路分析。
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間：若以人工方式分析復雜的系統(tǒng)，平均的潛在電路分析（SCA）（人工方式）可能需要1個月甚至幾個月才能完成。需要將系統(tǒng)的電子設備重新繪制成數(shù)百種網(wǎng)絡樹圖模式，并根據(jù)大量的潛在線索檢查每一種模式是一項耗時的任務。
分析成本：由于實施SCA分析需要專門SCA專家確定潛在線索，并基于潛在線索進行潛在電路分析。所制定的潛在線索以及基于線索實施的潛在電路分析所需要的成本，是與產(chǎn)品的數(shù)量和設計復雜性相關。若不熟悉設計的外部專家實施SCA分析，可能需要花費額外的時間和金錢來完成對設計功能和操作的詳細SCA分析。為了解決潛在電路的自動化分析問題，經(jīng)過多年的積累，逐步形成了將專家知識積累到軟件中，通過潛在通路/電路分析軟件實施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)果的應用：實施SCA需要設計、生產(chǎn)階段的圖紙，以防止后期設計更改后，將新隱患引入系統(tǒng)。實施SCA分析并獲得分析結(jié)果后，需要花費時間審查SCA分析結(jié)果，以及采取必要的糾正措施（包括硬件返工、召回或重新設計等），而不是僅僅是進行設計圖紙更改。
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”、“潛在時間”、“潛在標志”和“潛在指示”。這些形式均將導致系統(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)絡樹繪制和分析。
數(shù)據(jù)收集：為了對當前設計數(shù)據(jù)執(zhí)行SCA，有必要收集“竣工”的設計數(shù)據(jù)。這通常涉及收集所有原理圖、裝配圖、設計要求、印制電路圖和操作手冊。
劃分區(qū)域：要分析的電路被劃分為功能相關的節(jié)點集。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，從信號分布與配電電路的分離開始。保持節(jié)點集之間的系統(tǒng)連通性。
數(shù)據(jù)輸入：對輸入數(shù)據(jù)進行編碼，以將工程數(shù)據(jù)（如接線表和原理圖）轉(zhuǎn)換為便于使用計算機軟件進行電路路徑跟蹤的格式。此活動要求以表格形式輸入數(shù)據(jù)，以識別節(jié)點到節(jié)點的連接。電氣設備被轉(zhuǎn)換為由節(jié)點之間具有適當連接的一組節(jié)點表示的模型。
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)和得到的路徑標識創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)庫，從中執(zhí)行進一步的分析。
路徑跟蹤識別未端接的路徑（開放端、懸空接口），識別重復路徑，將路徑數(shù)據(jù)收集到節(jié)點集中，并交叉引用數(shù)據(jù)以識別節(jié)點集之間的連接。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)手動執(zhí)行進一步的分析。
網(wǎng)絡樹繪制：從節(jié)點集數(shù)據(jù)中提取網(wǎng)絡樹來表示信號和功率的函數(shù)流。網(wǎng)絡樹是電路的精確拓撲表示。網(wǎng)絡樹本質(zhì)上是電流的功能流程圖。網(wǎng)絡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)絡樹。
分析：SCA本質(zhì)上是拓撲模式識別，以及與每個拓撲相關的潛在“線索”（專家規(guī)則）的應用。如果確定存在潛在通路情況，則需進行額外的分析，以驗證或反駁潛在通路的情況。
2、RADC的潛在電路自動分析流程
美國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計問題分析。比如對開關電源電路進行潛在電路分析。
（3）結(jié)合功能的設計關注點進行分析
重點針對如下的功能進行分析：
a）電源到電源的連接；
b）邏輯“與”開關設備意外切斷負載電源;
c）通過邏輯“或”開關設備實現(xiàn)的無意負載電源；
d）電源啟用和電源切斷的時間不正確；
e）錯誤指示和標簽。
五、避免潛在電路的典型設計準則
在設計中基于相應的設計準則進行電路設計，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計準則：
a)、兩個或者多個電源接地
問題：涉及多個電源和/或多個接地回路的潛在通路
解決措施：設計電路時，使負載的所有電流從一個電源流到一個接地回路。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（機電或固態(tài)）隔離電源。對于需要極低電壓降和功耗的直流應用，可使用肖特基二極管或繼電器。通過分離高電流負載和低電流負載隔離回路。
b)、接地側(cè)電流斷開（連接器除外）
問題：由于負載接地側(cè)的電流斷開引起的潛在通路
解決措施：請勿將電流中斷元件（如開關、繼電器、斷路器、保險絲）放置在接地回路中。如果需要連接器，則應保持電源和接地回路對稱。
c)、接地側(cè)電流斷開（包括連接器）--電路對稱性
問題：該情況是由位于負載接地側(cè)的連接器（或其他電流中斷設備）所引起的潛在通路。
解決措施：當需要將連接器放置在負載的接地側(cè)時，保持電源和接地回路對稱。
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：避免使用單獨的連接器為電路提供電源和接地回路。
e)、向兩個或多個負載供電（“線或”電路）
問題：在“線或”電路中選擇備用路徑導致的潛在通路。
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，必須提供隔離措施。這個問題經(jīng)常出現(xiàn)在報警和聯(lián)鎖電路中。例如，當設備門打開或環(huán)境溫度超過預設水平時，高壓電源將中斷。溫度傳感器還用于操作自動噴水滅火系統(tǒng)。在圖7A所示的設計方案中，打開設備門會按預期中斷高壓，但也會無意中打開噴水滅火系統(tǒng)。如果保護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，添加具有常開觸點布置的繼電器。
f)、兩個或多個電源向負載供電（特別是計算機存儲器）--存儲器電源切換的潛在時序
問題：在切換到備用電源期間，由于計算機存儲器和其他重要負載的短暫瞬時斷電而導致的潛在時序問題。該情況主要是涉及不適當?shù)剡x擇先斷后合或先合后斷開關觸點問題。
解決措施：對于小型存儲器，在進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。對于大型存儲器或防止主電源短路，請使用先通后斷開關和二極管隔離。
g)、手動控制開關設備（開關標簽）
問題：潛在標簽導致與開關切換時的預期發(fā)生相反的動作。
解決措施：除了標記要控制的對象之外，還要根據(jù)執(zhí)行的操作對開關進行標記。比如標記是開還是關。
