瞭解安全事項應用筆記——第二部分：失效模式分配

作者：ADI資深產品應用工程師 Bryan Angelo Borres


摘要

本系列文章的第一部分針對元件失效率及可靠性預測方法展開了討論。本文(第二部分)則將進一步介紹失效模式、影響及診斷分析（FMEDA）。作為系統整合商可採用的安全分析工具之一，FMEDA能依據IEC 61508等功能安全標準的要求對安全相關系統的設計進行評估。開展FMEDA分析需要獲取多項元件資訊，其中包括失效率資料和失效模式分佈(FMD)。本文即將闡述FMD等因素如何影響FMEDA評估，並介紹ADI的安全應用筆記如何提供此類資訊。

什麼是FMEA？

失效模式和影響分析(FMEA)是一種安全分析工具或方法，主要用於評估系統或流程，明確指出可能出現的失效形式，並瞭解這些失效模式對相關專案的性能和周邊環境造成的影響。通常，FMEA會透過反覆運算方式來進行，目的在於為降低失效發生概率及減輕失效影響的決策提供支援，進而促進提升系統和流程的穩健性與可靠性。1

圖1展示了典型FMEA的構成要素及其一些廣為人知的變體：FMECA和FMEDA。FMEA通常基於以下資訊：系統或流程的相關資訊、待分析的功能、組成系統的元件、每個元件的失效模式、局部及全域影響等。當FMEA根據失效模式的重要性對其進行優先順序排序時，稱為失效模式、影響及危害性分析(FMECA)。當FMEA採用某種度量方式來體現診斷功能的有效性時，則稱為失效模式、影響及診斷分析(FMEDA)。1,2

Figure 1. FMEA and its variations.
圖1.FMEA及其變體。

在安全相關系統的設計中，FMEDA通常用於以下方面：提供與每種失效模式對應的元件級失效率、衡量自動診斷功能的有效性、在設計決策中應用定量可靠性分析、證明最終設計優於其他備選方案，以及顯示硬體設計符合IEC 61508標準的要求。2

示例FMEDA

表1呈現了一個源自IEC 60812:2018標準的FMEDA示例。儘管該示例並不完整1，但仍展示了電源電路主要部分的評估方法。該電源電路採用線性穩壓器為元件內部提供電源電壓。

此FMEDA示例包含多種失效率數值，具體有安全失效率(λS)、無影響失效率((λNE、危險可檢測失效率(λDD)和危險不可檢測失效率(λDU)，這些都是計算安全失效比率(SFF)的重要參數。1

表1.電源電路的FMEDA分析（基於IEC 60812:2018 標準表F.12）

名稱 元件 功能 失效率 (FIT) 失效模式 FMD 影響 失效分類 診斷覆蓋率 λS(FIT) λNE(FIT) λDD(FIT) λDU(FIT)
F50 保險絲 短路保護（輸入端） 25 無法開路 50% 正常運行時無 無影響 - 0 12.5 0 0
過早開路 10% 輸出 斷電 安全 - 2.5 0 0 0
開路緩慢 40% 對安全功能無影響 無影響 - 0 10 0 0
D12 抑制二極體 過壓保護(EMC) 7 短路 95% F50熔斷 安全 - 6.65 0 0 0
開路 5% 對安全功能無影響 無影響 - 0 0.35 0 0
R100 電阻, SMD 電流限制(EMC) 0.2 短路 5% 無電流 限制 危險 60% 0 0 0.006 0.004
開路 65% 輸出 斷電 安全 - 0.13 0 0 0
參數變化 30% 功能仍正常 無影響 - 0 0.06 0 0
C13 陶瓷電容, HDC/MDC EMC 2 短路 50% F50熔斷 安全 - 1 0 0 0
開路 30% 正常運行時無（無保護） 無影響 - 0 0.6 0 0
值變化 20% 功能仍正常 無影響 - 0 0.4 0 0
D25 小訊號 二極體
<0.1 W		 電橋整流器 1 短路 50% F50熔斷 安全 - 0.5 0 0.006 0
開路 35% 在交流供電情況下無法正常整流 安全 - 0.35 0 0 0
參數 變化 15% 功能 仍正常 無影響 - 0 0.15 0 0
C2 電解電容，鋁電解電容，非固體電解質 濾波 電容 5 短路 53% F50熔斷 安全 - 2.65 0 0 0
開路 35% 直流供電下正常運行時無 無影響 - 0 1.75 0 0
電解液洩漏 10% 對安全功能無影響 無影響 - 0 0.5 0 0
電容減少 2% 仍正常 無影響 - 0 0.1 0 0
IC18 穩壓器，功率 > 1 W, > 1W，低複雜度 與R100配合使用的穩壓器，用於電流源 25 高位準鎖定 30% 無調節功能-> 輸出開關 危險 0% 0 0 0 7.5
低位準鎖定 30% 輸出 斷電 安全 - 7.5 0 0 0
短路 15% 無調節功能-> 繼電器過電流（多樣） 無影響 - 0 3.75 0 0
開路 15% 輸出斷電 安全 - 3.75 0 0 0
漂移 5% 功能仍正常 無影響 - 0 1.25 0 0
功能 5% 功能仍正常 無影響 - 0 1.25 0 0
小計 25.03 32.66 0.006 7.504

計算 SFF3:

Know Your Safety Application Notes—Part 2: Failure Mode Distribution: Equation 1

現有診斷功能對R100短路失效的診斷覆蓋率僅為60%，對IC18的危險失效的診斷覆蓋率為0%，據此計算得出SFF為76.94%。若該電源電路僅設計用於單通道系統，則其僅能達到SIL 1。3 若增加針對IC18危險失效的診斷功能，此設計可進一步改進，以達到更高的SIL等級。當新增的診斷功能對IC18危險失效的診斷覆蓋率達到99%時，其對應的 λDU 將從7.5 FIT降至0.075 FIT，而 λDD將從0.006 FIT增至7.431 FIT，新的總λDU為 0.079 FIT，因此SFF為99.76%。

計算 PFH4:

Know Your Safety Application Notes—Part 2: Failure Mode Distribution: Equation 2

 

Figure 2. FMD based on the LTC2933 safety application note.
圖2.基於LTC2933安全應用筆記的FMD。

同時，該電源電路的總 λDU需符合IEC 615083標準中關於危險失效概率的要求。降低與安全相關的系統總 λDU（包括電源電路及其診斷功能），將對應降低每小時危險失效的平均頻率(PFH)，進而更易滿足更高的安全完整性等級(SIL)要求。4

值得注意的是，有三列資料會影響失效模式、影響及診斷分析(FMEDA)的失效率結果，如表1所示。這些列分別涉及：元件的失效率、失效模式分佈(FMD)以及診斷覆蓋率。元件失效率通常來自元元件製造商，也可透過可靠性預測方法進行計算。而失效模式分佈(FMD)是指元元件總失效率中可分配至每種失效模式的比例，該分佈通常也由元件製造商所提供。最後，診斷覆蓋率是指所用診斷功能對失效的檢測能力，這是系統整合商在設計中唯一可優化的因素，可透過增加診斷功能或採用更好的診斷方法來實現。

運用ADI的安全應用筆記加快系統的FMEDA進程

本系列的第一部分展示了LTC2933的安全應用筆記如何基於不同的可靠性預測方法提供基礎失效率資料。運用此類積體電路(IC)的失效率資料，並結合同一份檔案中如圖2所示的現成失效模式分佈(FMD)資訊，可顯著加快基於此類IC的系統FMEDA進程。此類安全應用筆記還會說明假設的系統功能及IC使用的應用電路。

借助ADI的安全應用筆記，安全分析將變得更加準確，因為相關資訊是直接來自元件製造商，而非簡單地將全部失效率歸為危險失效率，或基於特定假設來設定某種FMD。

結語

本文首先概述了一種名為FMEA（失效模式與影響分析）的安全分析工具，並介紹其衍生形式FMECA（失效模式、影響及危害性分析）和FMEDA（失效模式、影響及診斷分析）。隨後，本文深入剖析了一個FMEDA實例，解釋整合診斷功能及其診斷覆蓋率對於提升電源電路的安全失效比率(SFF)的作用。文章更進一步強調，在考慮診斷功能的前提下，降低未檢測到的危險失效率所具有的重要意義。最後，本文展示了系統整合商如何運用ADI安全應用筆記中提供的元件FMD資訊，以此提高系統FMEDA和安全分析的技術準確性。

參考文獻

1 “IEC 60812:2018.Failure Modes and Effects Analysis (FMEA and FMECA)”，國際電子電機委員會，2018年。

2 Paddy Healy，“What Is a FMEDA?” ，Exida，2023年4月。

3 “IEC 61508 All Parts, Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems”，國際電子電機委員會，2010年。

4Loren Stewart，“Back to Basics 17 - PFH”，Exida，2019年11月。