潜在分析技术专题（1）——电路的潜在电路分析
一、什么是潜在分析、潜在电路分析
1、潜在分析的来源、起源
在阿波罗登月计划期间，美国国家航空航天局官员在德克萨斯州休斯顿的载人航天器中心认识到，潜在电路是一种潜在的电气硬件缺陷，可能会破坏关键设备并危及宇航员。因此，1968年初在阿波罗号上实施了一项潜在电路分析任务。一个由电气和电子分析师以及数据处理专家组成的团队被指派识别阿波罗飞船中的潜在电路。一开始确定的另一个目标是尽可能多地自动化分析，以消除人为错误并加快结果。
迄今为止，分析发现了60多个潜电路。其中大部分可以通过程序的改变来阻止。此外开发了一个可操作的计算机程序来自动搜索电路路径，从而消除了为了完成电路而从一个原理图页面追踪到另一个原理图页面的繁琐而耗费人力成本的任务。通过使用该程序发现了许多原理图错误。
2、潜在分析、潜在电路的定义
波音公司在潜在电路分析手册中给出的潜在电路的定义为：潜在电路是具有潜在异常电气状态的路径，该潜在异常电状态是由引起不想要的功能或抑制想要的功能的不明确的激励-响应引起的。应注意的是，电气状态不仅包括电气和电子元件，还包括相关的操作员观察和由此产生的行动。
《GJB 451A-2005 可靠性维修性保障性术语》标准给出了潜在状态分析（Sneak analysis）的概念。潜在状态分析是指确定在产品的所有组成部分均正常工作的条件下，能抑制正常功能或诱发不正常功能的潜在状态的一种分析技术。包括针对电路的潜在电路分析（Sneak circuit analysis，简称SCA）、针对液气管路的潜在通路分析、针对软件的潜在状态分析。也称潜在分析。也就是说，潜在分析包含了针对电路的潜在电路分析、针对液气管路和软件等的潜在通路分析。（注：本专题论述的潜在电路分析，主要是针对电路进行潜在电路分析。如无特别说明，本专题所述的潜在电路、潜在通路均指针对电路的潜在电路进行分析。针对液气管路、软件等类别的潜在通路将另作专题介绍。）
随着我国装备的发展，在《GJB 450B-2021 装备可靠性工程通用要求》中，也明确了需要开展潜在分析的要求。
由于潜在电路在设计中是隐藏的，常见的故障预防方法，如应力分析、降额、冗余或环境屏蔽等对潜在电路的影响很小。目前使用的唯一预防措施是由专门从事潜在电路分析的专家或者承包商进行深入的电路分析。
二、执行潜在电路分析的成本
完成潜在电路分析所需的时间：若以人工方式分析复杂的系统，平均的潜在电路分析（SCA）（人工方式）可能需要1个月甚至几个月才能完成。需要将系统的电子设备重新绘制成数百种网络树图模式，并根据大量的潜在线索检查每一种模式是一项耗时的任务。
分析成本：由于实施SCA分析需要专门SCA专家确定潜在线索，并基于潜在线索进行潜在电路分析。所制定的潜在线索以及基于线索实施的潜在电路分析所需要的成本，是与产品的数量和设计复杂性相关。若不熟悉设计的外部专家实施SCA分析，可能需要花费额外的时间和金钱来完成对设计功能和操作的详细SCA分析。为了解决潜在电路的自动化分析问题，经过多年的积累，逐步形成了将专家知识积累到软件中，通过潜在通路/电路分析软件实施SCA工作，有效提高SCA分析的工作效率以及降低分析成本。
分析结果的应用：实施SCA需要设计、生产阶段的图纸，以防止后期设计更改后，将新隐患引入系统。实施SCA分析并获得分析结果后，需要花费时间审查SCA分析结果，以及采取必要的纠正措施（包括硬件返工、召回或重新设计等），而不是仅仅是进行设计图纸更改。
三、潜在电路的类型
潜在电路可以归纳为下述四种表现形即“潜在通路”、“潜在时间”、“潜在标志”和“潜在指示”。这些形式均将导致系统失效或操作失误。
四、潜在电路分析的流程
1、波音公司的潜在电路分析流程
实施潜在电路分析的流程大同小异。其中，波音公司给出的潜在电路分析方法主要包括6步，分别为数据收集、划分区域、数据输入、路径跟踪、网络树绘制和分析。
数据收集：为了对当前设计数据执行SCA，有必要收集“竣工”的设计数据。这通常涉及收集所有原理图、装配图、设计要求、印制电路图和操作手册。
划分区域：要分析的电路被划分为功能相关的节点集。这样做的目的是将更大的系统划分为更易于管理的部分。电路的划分或分区域需遵循一组规则，从信号分布与配电电路的分离开始。保持节点集之间的系统连通性。
数据输入：对输入数据进行编码，以将工程数据（如接线表和原理图）转换为便于使用计算机软件进行电路路径跟踪的格式。此活动要求以表格形式输入数据，以识别节点到节点的连接。电气设备被转换为由节点之间具有适当连接的一组节点表示的模型。
路径跟踪：编码后的数据输入到路径跟踪软件，以识别系统中所有可能的电气路径。原始输入数据和得到的路径标识创建了一个数据库，从中执行进一步的分析。
路径跟踪识别未端接的路径（开放端、悬空接口），识别重复路径，将路径数据收集到节点集中，并交叉引用数据以识别节点集之间的连接。目前，路径跟踪更多是用软件工具的算法执行。利用这些软件工具提供的数据手动执行进一步的分析。
网络树绘制：从节点集数据中提取网络树来表示信号和功率的函数流。网络树是电路的精确拓扑表示。网络树本质上是电流的功能流程图。网络树的大小受到限制以便于分析，并且连接被交叉引用到其他网络树。
分析：SCA本质上是拓扑模式识别，以及与每个拓扑相关的潜在“线索”（专家规则）的应用。如果确定存在潜在通路情况，则需进行额外的分析，以验证或反驳潜在通路的情况。
2、RADC的潜在电路自动分析流程
美国RADC（Rome Air Development Center给出的潜在电路分析流程如下：
（1）原理图/网表生成
首先，需要将电路原理图生成网表。
（2）潜在通路分析
生成网表后，输入SCAT并指定要处理的网表文件的名称。然后，选择执行潜在通路分析或设计问题分析。比如对开关电源电路进行潜在电路分析。
（3）结合功能的设计关注点进行分析
重点针对如下的功能进行分析：
a）电源到电源的连接；
b）逻辑“与”开关设备意外切断负载电源;
c）通过逻辑“或”开关设备实现的无意负载电源；
d）电源启用和电源切断的时间不正确；
e）错误指示和标签。
五、避免潜在电路的典型设计准则
在设计中基于相应的设计准则进行电路设计，是避免潜在电路（通路）的一种重要手段。下面是一些典型的避免潜在电路的典型设计准则：
a)、两个或者多个电源接地
问题：涉及多个电源和/或多个接地回路的潜在通路
解决措施：设计电路时，使负载的所有电流从一个电源流到一个接地回路。在不可能的情况下，使用直流电源二极管或交流或直流电源继电器（机电或固态）隔离电源。对于需要极低电压降和功耗的直流应用，可使用肖特基二极管或继电器。通过分离高电流负载和低电流负载隔离回路。
b)、接地侧电流断开（连接器除外）
问题：由于负载接地侧的电流断开引起的潜在通路
解决措施：请勿将电流中断元件（如开关、继电器、断路器、保险丝）放置在接地回路中。如果需要连接器，则应保持电源和接地回路对称。
c)、接地侧电流断开（包括连接器）--电路对称性
问题：该情况是由位于负载接地侧的连接器（或其他电流中断设备）所引起的潜在通路。
解决措施：当需要将连接器放置在负载的接地侧时，保持电源和接地回路对称。
d)、电源和接地连接器
问题：该情况是由于电源和接地连接器引起的潜在通路。
解决措施：避免使用单独的连接器为电路提供电源和接地回路。
e)、向两个或多个负载供电（“线或”电路）
问题：在“线或”电路中选择备用路径导致的潜在通路。
解决措施：“线或”只能在交替条件产生的效果完全相同的情况下使用。在某些特定条件下造成额外或变化的影响时，必须提供隔离措施。这个问题经常出现在报警和联锁电路中。例如，当设备门打开或环境温度超过预设水平时，高压电源将中断。温度传感器还用于操作自动喷水灭火系统。在图7A所示的设计方案中，打开设备门会按预期中断高压，但也会无意中打开喷水灭火系统。如果保护电路在直流电上工作，则可以通过在水平支路中添加二极管来消除潜在通路，如图的B部分所示。如果电路使用AC，或者如果由于其他原因不需要二极管，则如图的C部分所示，添加具有常开触点布置的继电器。
f)、两个或多个电源向负载供电（特别是计算机存储器）--存储器电源切换的潜在时序
问题：在切换到备用电源期间，由于计算机存储器和其他重要负载的短暂瞬时断电而导致的潜在时序问题。该情况主要是涉及不适当地选择先断后合或先合后断开关触点问题。
解决措施：对于小型存储器，在进行切换之前使用断路器，并在切换期间使用足够的电容来维持电压。对于大型存储器或防止主电源短路，请使用先通后断开关和二极管隔离。
g)、手动控制开关设备（开关标签）
问题：潜在标签导致与开关切换时的预期发生相反的动作。
解决措施：除了标记要控制的对象之外，还要根据执行的操作对开关进行标记。比如标记是开还是关。
