FMEDA 深度 — SPFM / LFM / PMHF 数学 + DC + Coffin-Manson

功能安全L1别名 FMEDA · SPFM · LFM · PMHF · diagnostic coverage · failure rate · ISO 26262 Part 5 · λ FIT · 更新

本质与导读

本质 FMEDA 把整车 ECU 拆到元件级,用每个元件已知的失效率 λ (FIT) 按 Safe/Dangerous、再按 Single-Point/Latent/Residual/Detected 分类累加,判定这堆元件加上 SM 后能否满足 ASIL D 的 SPFM ≥ 99% / LFM ≥ 90% / PMHF < 10 FIT;不够就回头加 Safety Mechanism 提高 DC。

主线坐标:横轨 · 功能安全(跨站) · ↑ 全景主线

1. 失效分类树

FMEDA 把一个元件的总失效率 拆成 5 类,类别之间无重叠 + 加起来等于 (MECE 分类)。SM 覆盖度决定哪些 dangerous 失效被"挪到"检测/残差类。下图把分类树 + 度量公式 + ASIL D 三阈值一次看清:

FMEDA 失效分类 + SPFM/LFM/PMHF 计算路径


2. 失效率 FIT — 数据从哪来

(FIT) 的单位是 failures per 10^9 hours。一个元件FIT 数值越小越可靠

2.1 三大数据源

FIT 数值的可信度由数据来源决定 — 通用元件库最快,vendor datasheet 准确度中等,自家现场数据最准但保密:

  • IEC TR 62380 / Siemens SN 29500 — 通用元件库,电阻/电容/二极管/MCU 等的基础 FIT 表
  • 半导体制造商 datasheet / reliability report — Infineon / NXP / TI 提供 ASIL D 元件的 FIT 数据
  • 量产 field data — 车厂自己累积的失效数据(最准但保密)

典型 FIT 范围(EV 主驱元件):

  • 一般 SMD 电阻:~ 0.1 FIT
  • 薄膜电容:~ 1 FIT
  • SiC MOSFET:50-200 FIT (温度+电压依赖)
  • ASIL D 级 MCU (Aurix TC397):~ 30 FIT (全部 die,含 lockstep)
  • 复杂 PCB 整板:~ 500-1000 FIT (累加)

2.2 温度修正

FIT 随Tj 强非线性 (Arrhenius):

每升 10℃ 翻倍。EV 主驱 Tj 150℃ 时 是 25℃ 的 2^(125/10) = 5600 倍。所以Tj 控制是 FMEDA 的最大杠杆


3. SPFM (Single-Point Fault Metric)

SPFM 度量"危险失效里多少能被 SM 检出"(即不是 Single-Point Fault)。

3.1 公式

SPFM 形式上是"未覆盖危险失效率占总危险失效率的补"——SM 越多分子越小,SPFM 越接近 1:

其中:

  • = 单点失效率(SM 没检到 → 直接违反 SG)
  • = 总危险失效率

3.2 ASIL 阈值

ASIL 等级越高 SPFM 阈值越严 — ASIL D 必 ≥ 99%,只允许 1% 危险失效漏 SM 兜底:

ASILSPFM
QM
A—(ISO 26262-5 Table 4 不为 ASIL A 规定 SPFM)
B≥ 90%
C≥ 97%
D≥ 99%

例:EV 主驱 SiC die FIT = 100,危险占 70% → FIT,DESAT SM 覆盖率 99% → FIT,SPFM = 1 - 0.7/70 = 99% ✓。

3.3 实战工程意义

SPFM 99% 不是单个元件级,而是整车级累加:

  • 整 ECU 必须 <
  • 在 1000 FIT 下, 必 < 10 FIT
  • 哪怕一个未覆盖的 SiC die fault 都可能让 SPFM 跌到 95%

4. LFM (Latent Fault Metric)

LFM 度量"潜伏失效里多少能被二次检测"。潜伏失效 (latent fault) 是已发生但还没引起 SG 违反的失效,与第二次失效叠加才出事。

4.1 公式

LFM 度量多点失效(MPF)里"潜伏占多少"的补值。分母是全部多点失效率 (含已检出与潜伏),不仅是潜伏部分——因为分母越大、分子/分母越小 → LFM 越高:

其中 = 多点失效总率(包含 MPF detected + latent + residual)。(SSOT:topic-fit-fmeda-calculation §7.2)

4.2 ASIL 阈值

LFM 阈值比 SPFM 略松 — ASIL D 仅需 ≥ 90%,因为潜伏需要二次失效叠加才酿事:

ASILLFM
A
B≥ 60%
C≥ 80%
D≥ 90%

4.3 例子

ECC RAM bit-flip 是经典 latent fault:单个 bit-flip 没 SG 影响,但与第二个 bit-flip 叠加 → 双 bit 错 → MCU lockstep trap → SG 失。

LFM 覆盖靠BIST (Built-In Self Test) — 上电 BIST + 周期性 RAM scan 检 latent fault。Aurix TC3xx 内置 RAM BIST 周期 100ms,LFM 覆盖率 99%+。


5. PMHF (Probabilistic Metric for Random HW Failures)

PMHF 是绝对失效概率 — SPFM/LFM 是百分比,PMHF 是 FIT 数。

5.1 公式

PMHF 把单点/残余失效的直接贡献加上潜伏失效的"双点时间窗"贡献。(ISO 26262-5:2018 Annex F.2)

  • :直接贡献(单点+残余单次失效即违 SG)
  • :双点时间窗贡献 — latent 失效存续期间 ,第二次任意 SR 失效(速率 )完成危险链; = 最长潜伏失效检出间隔(BIST/LBIST 周期,典型 1–730 h)

工程简化条件: → 退化为 。典型车规系统此条件几乎必然成立,PMHF 实际由 主导

5.2 ASIL D 阈值

PMHF < 10 FIT (= 10^-8 / h) — 即 100M 小时内只允许 1 次 SG 违反。EV 8 年 ≈ 70k 小时 → 失效概率 < 7e-4 = 0.07%。

5.3 工程实战

PMHF 是最严约束 — 大多数 ECU 上 SPFM 容易过(SM 多就过),LFM 也容易过(BIST 强就过),但PMHF 卡死在"高 FIT 元件不能加太多"

例:SiC die 200 FIT × 6 个 = 1200 FIT 总 dangerous,即使 99% SPFM → = 12 FIT > 10 FIT → 过不了 PMHF

对策:

  • 降低 die 数(集成度)
  • 双面散热降 Tj → λ 下降
  • ASIL 分解 D = B(D) + B(D) → 每路只需要满足 B 阈值

6. DC (Diagnostic Coverage) — 单 SM 覆盖率

DC 是单个 SM 检出 dangerous 失效的比例。ISO 26262 Part 5 Table D.4 给标准 SM 推荐 DC:

DC 档数值应用 SM 举例
None0%无 SM
Low≥ 60%basic plausibility check
Medium≥ 90%watchdog + signal range check
High≥ 99%lockstep + ECC + voted redundancy

计算工具:Polarion / IQ-FMEDA / Risk Spectrum / Excel + 手算。

DC 的两个易踩点:

  • DC 是 failure-mode 级、不是元件级 — 同一元件不同失效模式各有各的 DC(如 driver IC 的 OUT-stuck 靠 DESAT 90%、CLAMP 失效无 SM 仅 25%),不能拿一个"元件 DC"一刀切
  • 单 SM 常不够 High,要串联 — 一个 SM 给 90%,到 99% 得叠第二个独立 SM:串联后残余 = 各自漏检相乘 (90% × 90% 串联 → 99%);前提两 SM 对该模式独立(否则共因让乘法失效、退化回单 SM)

7. Coffin-Manson — PCT 寿命外推

EV 8 年质保需要把 PCT (Power Cycling Test) 实验室数据外推到现场温度循环。Coffin-Manson 模型:

  • :每次循环的温升
  • :Coffin-Manson 指数 (1.9 for IGBT solder / 5.0 for Al wire bond)
  • :活化能 (典型 0.5 eV)
  • :循环最高温

7.1 EV 工况映射

EV 主驱真实循环:

  • 每次行车 → ΔTj 30-50℃(高速巡航)
  • 每次启停 → ΔTj 60-80℃(从空载到最大扭)
  • 8 年 ≈ 1500 次完整循环 + 30000 次小循环

Coffin-Manson 外推:实验室 ΔTj 60℃ 1.5M 次 → 真实 ΔTj 80℃ 失效次数 = 1.5M × (60/80)^5 = 356k 次,仍远超需求。


8. 400V/100kW EV 主驱 FMEDA — 端到端 5 步 Worked Design

场景:EV 主驱逆变器,400V/100kW,SG-01「防止意外扭矩」ASIL D,使命寿命 70000 h(8 年),工作 Tj=125°C。

8.1 Step 1 — BOM + FIT 采集

FIT 数据优先级:厂家 Safety Manual datasheet > SN29500/IEC 62380 > field return 修正。各元件危险失效比例从失效物理判断。[VERIFY 下列 FIT 值来自器件 Safety Manual]:

元件数量单件 FIT总 FIT危险比(%)(FIT)
TC397 MCU(Aurix lockstep)1303060%18
SCT3080AL SiC MOSFET64024070%168
1EDI3035AS 栅极驱动653065%19.5
INA240A1 电流采样341270%8.4
直流母线电容(750μF/450V)40.5250%1
PCB+无源器件+连接器2050%10
合计334 FIT224.9 ≈ 225 FIT
SCT3080AL 质量护栏值:Rt…

SCT3080AL 质量护栏值:RthJC = 0.86 K/W / RGint = 13 Ω / Qg = 48 nC(SSOT:topic-sic-gate-loop-parameters §4.1)。

8.2 Step 2 — 失效模式分类 + SM 配对

以 SiC(最大 λ_SR 贡献者,168 FIT)为例展开五类分类:

失效模式比例(FIT)类型主 SMDC
桥臂直通/stuck-H25%42SPF候选DESAT检测 + 相电流监测95%×90%=99.5%0.21
stuck-L(开路)20%33.6SPF候选相电流监测 + RDY监测90%×85%=98.5%0.50
DESAT误触发15%25.2RFMCU消隐窗 + 温度交叉80%×85%=97%0.76
短路(SC)10%16.8SPF候选DESAT + MCU trip95%×90%=99.5%0.08
栅极退化/漏流30%50.4LatentVgs在线监测 + BIST85%×80%=97%1.51

SiC 残余合计: = 0.21+0.50+0.76+0.08+1.51 = 3.06 FIT

其他元件残余(MCU lockstep 99.9%/BIST 95%、GD UVLO 99%、sensor 90%):总计 ~5 FIT

8.3 Step 3 — SPFM 计算

将各元件残余合计代入 SPFM 公式,判断是否满足 ASIL D ≥ 99% 阈值:

单链 ASIL D 不过! 这与 SSOT topic-driver-ic-fmeda-worked-deep §3.2 结论一致:SiC 主驱必须 B(D)+B(D) 分解或增第三层 SM。

若增加第三层 SM(MCU 相位差交叉校验 DC+75%):

  • 最大残余贡献者 stuck-H/stuck-L 降到 0.1 FIT 级 → 总残余降至 ~2.1 FIT
  • SPFM = 1 − 2.1/225 = 99.1%

8.4 Step 4 — LFM 计算

主潜伏失效源:栅极驱动 CLAMP 故障(GD 25% FIT,BIST 覆盖 60%)+ 母线电容降解(覆盖 70%):

8.5 Step 5 — PMHF 计算

按 ISO 26262-5 Annex F.2 双点时间窗公式,取月度诊断间隔 ,:

结论:第三层 SM 后 SPFM 99.1% ✓ / LFM 99.0% ✓ / PMHF 2.1 FIT ✓ — 全过 ASIL D 三阈值。Latent 贡献( FIT)相对单点项(2.1 FIT)完全可忽略。若第三层 SM 成本过高,改用 B(D)+B(D) 分解:每路只需 SPFM ≥ 90%(ASIL B 阈),大幅降开发成本。

9. EV 主驱 FMEDA 报告分量

典型 ASIL D EV 主驱 FMEDA 报告体量 200-500 页,分量:

  • System / ECU 元件清单 — 1000-5000 行 BOM
  • 失效模式表 — 每元件 5-15 个 failure mode
  • DC 评估 — 每 mode 对应 SM 是否覆盖
  • SPFM / LFM / PMHF 累加 — 计算 result
  • diagnostic test interval (DTI) 论证 — SM 周期性触发足够
  • 遗留 (residual) failure 论证 — 不能覆盖的部分为什么 acceptable

10. FMEDA 工具

FMEDA 工具按"集成度 vs 上手成本"分级 — 大型项目用 Polarion/IQ-FMEDA 集成 V-cycle,小项目用 Excel:

工具厂商特点
Polarion FMEDASiemens主流,主驱 OEM 常用
IQ-FMEDASigma C / Eclat中国市场流行
Risk SpectrumLloyd's Register通用功能安全
FaultTree+Isograph老牌
Excel 手算经济款,小项目用

工具核心功能:

  • BOM 导入 + FIT 数据库
  • SM 评估 + DC 计算
  • 模型自动化 (如 SiC 模块自动建模)
  • 报告生成

11. 7 个工程 Gotcha 链

FMEDA 失败的根因集中在数据失真 + 分类越界 + 公式误用三类。下列 G1–G7 是主驱项目中最高频的触雷点。

G1 — FIT 用 25°C 基线但 Tj 高出 5–50×

EV 功率器件 Tj = 100–150°C,Arrhenius 每升 10°C 失效率翻倍。SiC 从 25°C 到 125°C 是 = 1024 倍。用 25°C 基线 FIT 做 FMEDA → PMHF 低估 2–3 个数量级 → 虚报合规。防止:FIT 必须在 junction 工作温度下取值或用温度修正公式(),并在 FMEDA 报告中明确标温度假设。

G2 — DC 直接用 SM datasheet 宣称值,不区分 failure mode

同一元件不同失效模式 DC 差异 3–10×(driver IC:CLAMP fault DC=25% vs UVLO DC=99%)。datasheet 给的是"元件级平均 DC",掩盖了 worst-case mode。防止:DC 评估必须 per-failure-mode,对每个 failure mode 单独评估哪个 SM 能覆盖、覆盖率多少。

G3 — DESAT 误触发漏记为 RF,实际是 Latent

DESAT 比较器自身老化/温漂导致 Vth 偏移 → 正常工况下误发 FAULT 或不发 FAULT。若 SM 本身失效(如 DESAT 比较器 die 损坏),对应失效是 latent fault(平时测不出,只在实际 SC 时才会"失职")。防止:DESAT SM 的完整性本身需要靠 BIST(上电校验 DESAT Vth)来周期性检出,否则 DC 不能按 "High" 计,要降为 Latent。

G4 — 两 SM 串联时忘掉独立性前提,DC 乘法失效

DESAT + 相电流双 SM 串联 → DC = 1-(1-DC1)(1-DC2),前提是两路对同一故障模式相互独立。若两路共用同一条电源(VCC2)或同一 MCU 输入通道 → 共因失效 → 乘法退化 → 实际 DC 退回到单 SM 水平。防止:DFA 强制要求论证每对 SM 对目标故障模式的 CCF 隔离度 → 共电源、共 PCB trace、共软件 task 均属 CCF 弱点。

G5 — LFM 分母错误:错把"检出"从分母中减掉

,分母是全部多点失效 ,包含 MPF detected + latent + residual。若从分母再减去 MPF detected,分母变小、LFM 计算值变高 → 虚报更好的 LFM。防止:对照 ISO 26262-5 Annex F.2 公式;分母取 ,不额外剔除 detected MPF。(本页升级已对齐此 SSOT。)

G6 — PMHF 忽略 Latent 贡献项或低估 Tmf 量级

按 ISO 26262-5 Annex F.2, 的简化条件是 。典型车规( FIT,月检 h): FIT 2.1 FIT,简化成立。但高 FIT 系统( FIT)或超长诊断间隔( h)时需评估量级。防止:代入 Annex F.2 完整公式验证;大多数车规系统 PMHF 由 主导,Latent 贡献可忽略。

G7 — PMHF 只算自己的 ECU,遗漏整车累加

ISO 26262-5 的 PMHF < 10 FIT 约束是整车/安全目标级,不是单 ECU 级。若主驱 ECU = 8 FIT、BMS = 5 FIT、SBC = 3 FIT → 整车 PMHF = 16 FIT > 10 FIT → 不合规。防止:FMEDA 边界必须对应 SG 级别;整车 PMHF = 各 ECU 对同一 SG 的贡献,需在系统架构级分配 PMHF 预算(如主驱 ECU 分到 5 FIT 上限)。


12. Corner 分析

C1 — EOL(8 年末)FIT 倍增 + 多器件叠加超 PMHF

使命寿命末期老化使 FIT 倍增(HTOL 外推:FIT_EOL/FIT_BOL = exp(Ea/k × (1/Tuse − 1/Tstress)) ≈ 2–5×)。同时 SiC 6 只器件每只 FIT 翻倍 → 整车 PMHF 从 2.1 FIT 可能升至 10.5–17 FIT → 越 10 FIT 界。对策:PMHF 计算取 BOL/MOL/EOL 三点,以 EOL 最大值为最终报告值;若 EOL 越界,需降低 SiC die 数量(集成度)或降 Tj(散热升级)。

C2 — 低温 Tj(−40°C)BIST 覆盖率下降

车规 TC397 LBIST 在 −40°C 初始化时间超过 INIT_OK 窗口 → BIST 未完成就进入功能模式 → latent fault 漏检周期延长。实测:INIT_OK 窗口 80 ms(TLF35584 SSOT),TC397 LBIST at −40°C 需要 150 ms → 缺口 70 ms。对策:ECU 在低温环境加 CPU warm-up 延时后再使能 LBIST;或选 INIT_OK 窗口 ≥ 200 ms 的 SBC。

C3 — B(D)+B(D) 分解后 DFA 独立性论证失败

B(D)+B(D) 分解将 ASIL D 拆成两条 ASIL B 通道,省开发成本的前提是两路真正独立。若共用同一功率地平面(PCB 地弹噪声 CCF)、同一 VCC2 电源轨,DFA 会判"独立性不足" → 分解无效 → 退回单链 ASIL D 要求。对策:分解在系统架构阶段决定,两通道物理隔离(独立 PCB 区域/独立电源轨/独立 MCU peripherals);DFA 必须先于 FMEDA 完成,FMEDA 以 DFA 结论为输入。


核心要点

  • FMEDA 把每个元件 分成 5 类:Safe / SPF / LF / Detected / Residual,SM 决定如何分。
  • SPFM ≥ 99% / LFM ≥ 90% / PMHF < 10 FIT 是 ASIL D 三阈值,全过才合规
  • DC (Diagnostic Coverage) 单 SM 覆盖率 60% / 90% / 99% → 对应 ASIL B/C/D。
  • FIT 来源:IEC 62380 / 制造商 datasheet / 量产 field data,Tj 升 10℃ 翻倍
  • Coffin-Manson 把 PCT 实验室数据外推 EV 8 年质保, = 5 (Al wire) / 1.9 (solder)。
  • ASIL D 三件套PMHF 是最严约束 — 高 FIT 元件多 + SM 覆盖再好都可能过不了。
  • 对策:降 die 数 + 双面散热降 Tj + ASIL 分解 让每路只过 B 阈值。
  • 主流工具:Polarion / IQ-FMEDA / Risk Spectrum,EV OEM 一般用 Polarion。

缩写表

只列本页用到的工业标准缩写;通用英语…

只列本页用到的工业标准缩写;通用英语 / 单位 / 月份 / 我们的 层/Lx tag 不列。覆盖不到的术语见正文 inline 注释。

缩写全称中文 / 备注
FMEDAFailure Modes, Effects and Diagnostic Analysis含诊断覆盖的 FMEA
SPFMSingle-Point Fault Metric单点失效度量
LFMLatent Fault Metric潜伏故障度量
PMHFProbabilistic Metric for Hardware Failures硬件随机失效概率指标
ISOInternational Organization for Standardization国际标准化组织
FITFailures In Time1e9 小时失效率单位 (1 FIT = 1 failure / 1e9 h)
ECUElectronic Control Unit电子控制单元
AURIXAUtomotive Realtime Integrated neXtInfineon TriCore 多核车规 MCU 系列
NXPNXP Semiconductors恩智浦半导体
IECInternational Electrotechnical Commission国际电工委员会
DCDiagnostic Coverage诊断覆盖率 (功能安全语境)
ASILAutomotive Safety Integrity LevelISO 26262 安全完整性等级 QM→A→B→C→D
SMSafety Mechanism安全机制
EVElectric Vehicle电动车
MCUMicrocontroller Unit微控制器(本页多指车规多核 MCU)
TITexas Instruments德州仪器
MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属氧化物场效应晶体管
PCBPrinted Circuit Board印刷电路板
SGSafety Goal安全目标(ISO 26262-3)
QMQuality ManagementISO 26262 最低等级,只走质量流程
IGBTInsulated-Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极晶体管
BOMBill of Materials物料清单
OEMOriginal Equipment Manufacturer整车厂 / 主机厂
CCFCommon Cause Failure共因失效
DFADependent Failure Analysis相关失效分析(ISO 26262-9)
ESDElectrostatic Discharge静电放电

Cross-references