FMEA 失效模式及其效用分析是怎么回事？

深圳原來的關(guān)內(nèi)地區(qū)是一個(gè)狹長(zhǎng)的地帶，東西向很長(zhǎng)，南北向很窄。連通這片地區(qū)東西向的大道有三條，南邊的是濱海大道，中間的是深南大道，北邊的是北環(huán)大道。這三條大道到了西邊后都會(huì)與月亮灣大道融合在一起，但各自的融合方法卻有不同。濱海大道與月亮灣大道是完全垂直的關(guān)系，北環(huán)大道和月亮灣大道則是各自彎曲以后形成一條從東偏北向西偏南的斜線連接，完全沒有任何突兀的感覺，深南大道在南頭古城和南頭中學(xué)外拐了一個(gè)彎后向西北延伸與 107 國道廣深段連結(jié)在一起，這兩條斜線又剛好以垂直的方式交叉而過，構(gòu)成了一個(gè)十字形的交通樞紐——深南北環(huán)立交，讓各種車輛可以在各條大道之間自由切換，但由于大型車輛被禁止經(jīng)由深南大道穿越市區(qū)，它們便只能在北環(huán)、107 和月亮灣大道上行駛。

受周圍地形地貌的限制，上述這個(gè)十字形的交通樞紐上存在一個(gè)幾乎成 90 度的拐彎，那是從北環(huán)大道西行右拐進(jìn)入 107 國道的一段輔道，各種大小車輛要轉(zhuǎn)彎都會(huì)經(jīng)過它，所以便隱藏著很大的風(fēng)險(xiǎn)，開車通過這里的司機(jī)們都有必要特別小心，千萬不能和大型車輛搶道，最好是離它們遠(yuǎn)遠(yuǎn)的。有的急性子可能在這里也想超車，在我看來便有點(diǎn)冒險(xiǎn)的感覺了，因?yàn)橐坏┯绊懙酱笮蛙囕v的運(yùn)行，想讓它們減速、避讓都是很危險(xiǎn)的，很容易出現(xiàn)側(cè)翻等事故。作為一名經(jīng)常路過這個(gè)路口的司機(jī)，我在開車上路的時(shí)候常常會(huì)對(duì)類似上述的道路情形進(jìn)行分析，依此決定自己的駕駛行為，很多可能發(fā)生的交通事故都被自己提前預(yù)防了，所以雖然已經(jīng)有超過 20 年的駕齡，但因?yàn)樽约旱呢?zé)任而帶來的交通事故卻極少發(fā)生，買保險(xiǎn)交給保險(xiǎn)公司的錢幾乎就是白送的，所以現(xiàn)在購買車險(xiǎn)的時(shí)候都是只賣第三者責(zé)任險(xiǎn)和必須買的交強(qiáng)險(xiǎn)，完全不擔(dān)心因?yàn)樽约旱呢?zé)任而把車子弄壞了，每年都能為自己省下一點(diǎn)開支。

實(shí)際上，我們?cè)陂_車上路的時(shí)候不僅需要防范大車可能給自己帶來的風(fēng)險(xiǎn)，小車也是需要防著的，今天早晨我在經(jīng)過上述拐彎的時(shí)候就遇到了一臺(tái)小車突然在我的左側(cè)前方擺動(dòng)起來，仿佛它的司機(jī)是喝醉了酒似的，我的直接反應(yīng)就是立即減速和它拉開距離，雖然看著它在二次擺動(dòng)以后穩(wěn)定了下來，但是仍然與其保持一段距離，直至到了直行區(qū)以后才加速跑到它的前面，把和它并行的時(shí)間長(zhǎng)度壓到了最低，順利通過了這段危險(xiǎn)路段。

汽車是一個(gè)很好的交通工具，由于道路、車輛、駕駛?cè)说脑蚧蚴瞧渌蛩貙?dǎo)致的交通事故卻經(jīng)常發(fā)生，由此給相關(guān)人員和物資所帶來的損失損傷也非常嚴(yán)重，因而就有必要保持很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來參與其中，對(duì)可能發(fā)生的交通事故進(jìn)行提前預(yù)防，盡量把可能的損失損傷降到最少最輕。如果真的發(fā)生了事故，我們也應(yīng)該有可以幫助自己最大程度地自救的準(zhǔn)備，在我的車上就備有照明燈、玻璃破碎錘和醫(yī)用救助材料等物品，它們從未被使用過，但是卻永遠(yuǎn)被準(zhǔn)備著，就是為了防范那些可能發(fā)生的問題。

車子是個(gè)工具，使用中發(fā)生了問題不能正常行使其功用，這便是車子的失效狀態(tài)。這些失效狀態(tài)可能帶來什么影響，這便是對(duì)失效狀態(tài)的效用分析需要考慮的問題。根據(jù)對(duì)失效狀態(tài)的效用分析而采取各種預(yù)防措施，一是能讓失效狀態(tài)盡可能少地發(fā)生，二是在發(fā)生時(shí)可以將其影響降到最低，順帶還能降低采取預(yù)防措施的成本，像我就把購買保險(xiǎn)的費(fèi)用降低了，起到的作用是巨大的，而這還不包括連帶的收益如家人的安心等等。

車輛的安全性對(duì)我們來說是如此重要，用于車輛的電子器件自然也需要具有很高安全性，否則就有可能因?yàn)樗陨淼脑蚨斐绍囕v的故障和/或安全事故，例如失效的電子器件有可能造成車輛的功能異常，甚至可能發(fā)生可怕的自燃等嚴(yán)重安全事故，給我們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p傷和損失?；谶@樣的考慮，仔細(xì)分析電源器件在使用中可能發(fā)生的誤動(dòng)作、失效等問題，對(duì)它們可能造成的影響進(jìn)行分析，提前采取預(yù)防措施避免問題的出現(xiàn)，降低出現(xiàn)問題以后可能帶來的損失損傷，這樣做便是所謂的 FMEA 了，其側(cè)重點(diǎn)在提前預(yù)防，不在后續(xù)處理。FMEA 來源于英文詞組 Failure Mode and Effects Analysis，意即失效模式及其效用分析，也有人翻譯為失效模式及其影響分析，我是習(xí)慣于說效用分析了，所以就自然地一直這樣用，但愿這不會(huì)引起讀者的疑惑。

我們?cè)谏掀诘奈恼轮刑岬杰囉?60V/0.5A~5A 高壓 Buck 轉(zhuǎn)換器 RTQ2960-QA ~ RTQ2965-QA 系列產(chǎn)品的時(shí)候提到它們的引腳布置是 FMEA 失效模式及其效用分析的結(jié)果，現(xiàn)在就從一些很簡(jiǎn)單的角度來看看它的引腳設(shè)計(jì)是怎樣的，看看它們是否真的具有預(yù)防問題的作用。

這是采用 WDFN 封裝的 RTQ2960-QA 的引腳布置圖，這些引腳的電壓承受能力在規(guī)格書中是這樣描述的：

由此可以知道，緊靠在一起的 VIN、EN、SW 都可以承受 65V 的電壓，夾在其中的 BOOT 引腳和 SW 引腳之間的最高壓差可達(dá) 6V，表示它可以承受更高的電壓，所以當(dāng) RTQ2960-QA 工作于其最高輸入電壓 60V 時(shí)都不用擔(dān)心會(huì)有相鄰引腳的短路會(huì)造成非常嚴(yán)重的問題。

現(xiàn)在考慮一種比較極端的狀況，因?yàn)?SW 引腳和 GND 引腳相鄰，假如它們之間短路了，輸出端的電壓必然因 SW 與地短路而被放電，輸出電壓不能正常維持，這將造成欠壓保護(hù)的結(jié)果。另一個(gè)方面需要看到的是，假如在短路期間出現(xiàn)了上橋 MOSFET 處于導(dǎo)通的狀態(tài)，必然會(huì)出現(xiàn)大電流流過其漏極和源極間溝道的情況，而且很快就會(huì)超過其過流限制閾值，而這將觸發(fā)過流保護(hù)動(dòng)作，它會(huì)立即將上橋開關(guān)截?cái)?。假如出現(xiàn)了上橋開關(guān)來不及截?cái)啾阋驗(yàn)樘珶岫粨舸┑臓顩r，瞬間形成的高溫也會(huì)將其熔斷而不會(huì)發(fā)生持續(xù)流過電流的狀況，這樣就可以避免因?yàn)闊崃康某掷m(xù)積累而造成燃燒的問題。

現(xiàn)在我們來看看 EN 引腳的設(shè)計(jì)規(guī)格：

只要 EN 端的輸入電壓超過 1.25V（額定值），RTQ2960-QA 便被使能了，如果其他條件都已具備，IC 的正常工作馬上就會(huì)開始，可它為什么要能承受 65V 的電壓呢？原因之一大概就是因?yàn)樗鼊偤锰幱谀苣透邏旱?VIN 和其他低壓引腳之間，萬一它和 VIN 短路了，這樣的設(shè)計(jì)可以確保其不會(huì)被損壞，還能帶來最簡(jiǎn)單的上電啟動(dòng)的效果。而在采用分壓電阻進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，EN 和 VIN 短路的狀況也有可能因?yàn)榉謮弘娮璧氖Ф霈F(xiàn)，若 EN 不能承受高壓便會(huì)帶來損壞的結(jié)果，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)就能把這樣的問題也包容了。

對(duì)于具有故障容忍能力的系統(tǒng)來說，當(dāng)出現(xiàn)意外狀況的時(shí)候，IC 的功能失效在很多時(shí)候都是可以接受的，不能出現(xiàn)的是燃燒等不可控的狀態(tài)，因?yàn)槭淼挠绊懣杀豢刂圃诳梢越邮堋⒖梢蕴幚淼姆秶鷥?nèi)，不會(huì)超出我們的預(yù)估，而燃燒帶來的影響卻是很難預(yù)估的。過去我曾與客戶一起面對(duì)過一些日本公司的設(shè)計(jì)案例，看到他們對(duì)一些涉及到安全問題的地方會(huì)有一些很特殊的做法，例如我們?cè)谏厦娴?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%9B%BE/">原理圖中會(huì)看到一個(gè)外接的續(xù)流二極管，他們有可能會(huì)在這里使用兩只管子來并聯(lián)，極端一點(diǎn)的甚至可能是將兩只并聯(lián)以后再和另外并聯(lián)的兩只串聯(lián)在一起，目的就是解決某只二極管開路了或是短路了時(shí)的正常工作問題，避免因?yàn)樾〉膯栴}而帶來大的問題，這種做法看起來有點(diǎn)極端，但是其中卻包含著很特別的追求，是值得我們?cè)谀承┣闆r下進(jìn)行借鑒的。

上面的內(nèi)容是從我看到的部分角度對(duì) FMEA 是如何在 IC 設(shè)計(jì)中起作用所作的陳述，是對(duì)上期文章發(fā)布以后有讀者提出的問題的回應(yīng)，純屬個(gè)人見解，不見得就是對(duì)的，僅供參考。

轉(zhuǎn)載自 RichtekTechnology。