(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211268656.2 (22)申请日 2022.10.17 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 陈岑　代文鑫　刘未铭　苏连禹　 叶雪荣　翟国富　 (74)专利代理 机构 哈尔滨龙 科专利代理有限公 司 23206 专利代理师 吕洪娟 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 111/08(2020.01) (54)发明名称 基于多物理场数字样机模型的开关电源可 靠性预计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于多物理场数字样机 模型的开关电源 可靠性预计方法， 所述方法包括 如下步骤： S1、 建立适用于可靠性预计的开关电 源电、 热、 振多物理场数字样机模型； S2、 基于数 字样机模型， 分析确定开关电源关键失效模式、 失效机理， 确定可靠性 薄弱的电子元器件； S3、 基 于数字样 机模型和可靠性薄弱电子元器件， 建立 融合性能退化和功能失效的开关电源可靠性预 计模型； S4、 基于开 关电源可靠性预计模型， 求解 得到给定 预计工作环境下的可靠度曲线。 本发明 利用数字样 机模型， 考虑了电、 热、 振动应力条件 下开关电源关键元器件功能失效与性能退化对 可靠性的影 响因素， 能够提高开 关电源可靠性预 计的准确度， 为提升开关电源可靠性提供了有力 支撑。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 115526080 A 2022.12.27 CN 115526080 A 1.一种基于多物理场数字样机模型的开关电源可靠性预计方法， 其特征在于所述方法 包括如下步骤： 步骤S1、 建立 适用于可靠性预计的开关电源电、 热、 振多物理场数字样机模型； 步骤S2、 基于步骤S1中建立的数字样机模型， 分析确定开关电源关键失效模式、 失效机 理， 确定可靠性薄弱的电子元器件； 步骤S3、 基于步骤S1中建立的数字样机模型和步骤S2中确定的可靠性薄弱电子元器 件， 建立融合 性能退化和功能失效的开关电源可靠性预计模型； 步骤S4、 基于步骤S3中建立的开关电源可靠性预计模型， 求解得到给定预计工作环境 下的可靠度曲线。 2.根据权利要求1所述的基于多物理场数字样机模型的开关电源可靠性预计方法， 其 特征在于所述 步骤S1的具体步骤如下： 步骤S11、 通过EDA软件建立 开关电源电路模型， 并进行电路仿真 分析； 步骤S12、 通过三维建模软件与有限元分析软件建立开关电源结构模型， 并进行热仿真 分析与振动仿真 分析； 步骤S13、 通过仿真耦合平台实现开关电源电热耦合仿真的数据交互及过程控制， 进而 完成电热耦合变量传递， 实现多物理场的间接耦合。 3.根据权利要求1所述的基于多物理场数字样机模型的开关电源可靠性预计方法， 其 特征在于所述 步骤S2的具体步骤如下： 步骤S21、 根据组成开关电源的电子元器件类型对其典型失效模式进行梳理； 步骤S22、 参考步骤S21中电子元器件性能退化类型的失效模式， 利用灵敏度分析方法， 确定对开关电源输出性能影响较大的电子元器件及其敏感参数； 步骤S23、 参考步骤S21中电子元器件功能失效类型的失效模式， 利用故障树分析的方 法， 确定发生功能失效会影响开关电源功能的电子元器件； 步骤S24、 综合步骤S22和步骤S23中分析确定的电子元器件， 即为可靠性薄弱电子元器 件。 4.根据权利要求1所述的基于多物理场数字样机模型的开关电源可靠性预计方法， 其 特征在于所述 步骤S3的具体步骤如下： 步骤S31、 根据步骤S1建立的开关电源数字样机模型， 建立能够描述开关电源工况与电 子元器件 电、 热、 振动应力关系的工作应力映射模型[I1,V1,T1,a1,f1,…,Ii,Vi,Ti,ai, fi,…]＝S(Vs,IS,TS,AS,fS)， 其中， Ii、 Vi、 Ti、 ai、 fi分别表示元器件i的电流有效值、 电压有效 值、 表面平均温度、 正弦振动加速度、 正弦振动频率， VS、 IS、 TS、 AS、 fS分别表示开关电源的输 入电压有效值、 输出电流有效值、 环境平均温度、 等效正弦振动加速度、 等效正弦振动频率， S(·)为工作应力映射模型； 步骤S32、 根据电子元器件电、 热、 振动加速应力试验获得的性能参数退化数据， 建立电 子元器件i的时变性能退化模型Pi(t)＝Di(s,t)， 其中， s＝[Ii,Vi,Ti,ai,fi]， Di(·)为性能 退化模型， 且Di(s,t)具有分布特性， Pi(t)为性能退化型电子元器件i的具有分布特性的时 变性能参数向量； 步骤S33、 根据电子元器件电、 热、 振动加速应力试验获得的功能失效时间数据， 建立电 子元器件i的功能失效模型Fi(t)＝Ki(s,t)， Ki(·)为功能失效模型， 且Ki(s,t)具有 分布特权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115526080 A 2性， Fi(t)为功能失效型电子元器件i的失效时间； 步骤S34、 根据开关电源使用要求确定输出特性参数极限状态， 利用数字样机模型构建 能够描述电子元器件 退化与开关电源输出特性关系的性能映射模型PS(t)＝X(P1(t),…,Pi (t),…)， 其中PS(t)为开关电源输出 特性参数向量， X( ·)为性能映射模型； 步骤S35、 利用故障树分析结果构建开关电源可靠性框图， 建立能够描述电子元器件与 开关电源功能失效对应关系的功能映射模型FS(t)＝G(F1(t),…,Fi(t),…)， 其中， FS(t)为 开关电源功能失效时间， G( ·)为功能映射模型； 步骤S36、 工作应力映射模型S( ·)将应力输入给电子元器件性能退化模型Di(·)与功 能失效模 型Ki(·)， Di(·)与Ki(·)分别将各自的输出传递给性能映射模 型X(·)与功能映 射模型G(·)， 根据X(·)与G(·)及输出特性参数阈值向量Pth， 分别得到Rp(t)与Rf(t)， 再 通过式(1)描述 开关电源在任一t时刻的可靠度RS(t)， 即得到开关电源可靠性预计模型： 其中， α＝k/Ns， Ns表示开关电源中的电子元器件总规格数， k表示既是性能退化型电子 元器件又 是功能失效型电子元器件规格数。 5.根据权利要求4所述的基于多物理场数字样机模型的开关电源可靠性预计方法， 其 特征在于所述 步骤S4的具体步骤如下： 步骤S41、 对任务剖面的应力进行等效分解， 得到开关电源使用的温度、 振动、 电应力预 计值{VS,IS,TS,AS,fS}； 步骤S42、 基于步骤S31所建立的开关电源工作应力映射模型， 将{VS,IS,TS,AS,fS}代入 其中计算得到组成开关电源的各电子元器件的温度、 振动、 电应力响应值[I1,V1,P1,T1,a1, f1,…,Ii,Vi,Pi,Ti,ai,fi,…]； 步骤S43、 依 次将步骤S42中计算得到的电子元器件i的[Ii,Vi,Pi,Ti,ai,fi]， 代入电子 元器件i的Di(·)与Ki(·)模型中， 求得电子元器件i的具有分布特性的时变性 能参数向量 Pi(t)和功能失效时间Fi(t)， 基于Monte  Carlo方式抽样得到电子元器件i的N个性能参数 P′i(t)和N个功能失效时间Fi′(t)； 步骤S44、 将步骤S43中得到的各电子元器件批次时变性能参数[P ′1(t),…,P′i(t),…] 代入开关电源性能 映射模型X( ·)， 得到对应的开关电源N个时变输出特性参数向量PS(t)， 统计任一t时刻下PS(t)满足Pth的概率RP(t)＝Pr{PS(t)∈Pth}， 即可得到开关电源性能退化 可靠度曲线Rp(t)； 步骤S45、 将步骤S43中得到的电子元器件批次功能失效时间[F1′(t),…,Fi′(t),…]代 入开关电源功能映射模型G( ·)， 得到对应的开关电源N个功能失效时间FS(t)， 统计任一t 时刻下FS(t)未发生概率Rf(t)＝Pr{FS(t)＞t}， 即可得到开关电源功能失效可靠度曲线Rf (t)； 步骤S46、 根据所用性能退化模型与功能失效模型的同源性， 通过式(1)计算得到融合 性能退化与功能失效的开关电源可靠度曲线RS(t)。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115526080 A 3