硬件白盒測試在電源電路可靠性評估中的應(yīng)用

羅欣兒，李傳業(yè)，皮志武，許建強，雷曉敏

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

硬件白盒測試是指在理解產(chǎn)品的實現(xiàn)原理、熟悉產(chǎn)品的特性并充分地了解產(chǎn)品的應(yīng)用場景的情況下，根據(jù)產(chǎn)品的內(nèi)部實現(xiàn)原理、物理特性和應(yīng)用要求對產(chǎn)品內(nèi)部的硬件電路及元器件的關(guān)鍵參數(shù)進行的測試。

傳統(tǒng)的黑盒測試是基于產(chǎn)品功能的測試驗證，將產(chǎn)品看作一個黑匣子，從外部對其施加各種激勵并觀察產(chǎn)品的響應(yīng)，以期產(chǎn)品功能失效從而暴露產(chǎn)品的缺陷。從工程實踐的效果來看，在產(chǎn)品設(shè)計的早期，這樣的黑盒測試可能對質(zhì)量和可靠性的提升有較為明顯的促進作用。隨著產(chǎn)品的設(shè)計越來越復(fù)雜并逐漸走向成熟后，僅依靠以產(chǎn)品功能為判定依據(jù)的黑盒測試已經(jīng)很難暴露出產(chǎn)品的缺陷。導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的原因一方面是由于施加的各種激勵和應(yīng)力（無論是電信號的輸入、機械振動、沖擊應(yīng)力和氣候條件）往往都很難真實地再現(xiàn)使用現(xiàn)場環(huán)境，另一方面則是由于產(chǎn)品的設(shè)計已日趨復(fù)雜，很多由外部注入的激勵所產(chǎn)生的異常在進入產(chǎn)品內(nèi)部時已被過濾掉，并不能在產(chǎn)品的整體功能或性能指標上有所體現(xiàn)。然而真正承受異常應(yīng)力的元器件或單元電路雖然已經(jīng)工作在正常區(qū)間意外甚至是過應(yīng)力狀態(tài)，但往往不會因為一次異?；蚨虝旱倪^應(yīng)力作用而完全的失效。黑盒測試會因為產(chǎn)品功能和性能未發(fā)生失效而認為產(chǎn)品通過測試，導(dǎo)致測試無法發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在可靠性風(fēng)險。

因此，在對產(chǎn)品進行測試驗證時，除了開展基于產(chǎn)品功能、性能的黑盒測試外，還需要開展針對產(chǎn)品內(nèi)部單元電路和元器件參數(shù)的硬件白盒測試。通過硬件白盒測試可以檢查產(chǎn)品在特定環(huán)境和工況下產(chǎn)品內(nèi)部單元電路和元器件的關(guān)鍵參數(shù)，了解單元電路和元器件的工作狀態(tài)和工作區(qū)間，從而達到識別產(chǎn)品潛在可靠性風(fēng)險的目的。

產(chǎn)品需要承受的應(yīng)力不是一成不變的，在不同的時間、不同的環(huán)境和不同的工況下產(chǎn)品所需要承受的應(yīng)力類型和應(yīng)力強度都不一樣。在最壞的情況下，作用在產(chǎn)品上的應(yīng)力會達到最大值，對產(chǎn)品的影響最大。因此，在進行硬件白盒測試時應(yīng)考慮可能存在的最壞情況。在可能存在的最壞情況下對產(chǎn)品進行測試，以求測得正常使用時施加在產(chǎn)品上的應(yīng)力的最大值。硬件白盒測試的基本要求如下：1）基于失效機理開展測試，在可能導(dǎo)致產(chǎn)品單元電路及元器件發(fā)生失效的應(yīng)力或參數(shù)條件下進行測試；2）盡可能地在存在的最壞工況情況下對產(chǎn)品內(nèi)部單元電路和元器件進行測試，以獲取應(yīng)力的最大值。

1 白盒測試在IGBT驅(qū)動電源電路可靠性驗證中的應(yīng)用

1.1 IGBT驅(qū)動電源電路的特點及硬件白盒測試的要點

IGBT驅(qū)動電源電路的系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。IGBT模塊集成兩個分立IGBT器件，分別應(yīng)用于系統(tǒng)整流逆變電路的上下橋臂。IGBT是電壓型驅(qū)動器件[1]，為了抗干擾，IGBT的開通關(guān)斷由柵極正負電壓驅(qū)動控制。因此IGBT驅(qū)動電源電路設(shè)計采用的是多路輸出，含正負電壓的雙管正激式開關(guān)電源[2]。

圖1 IGBT驅(qū)動電源電路系統(tǒng)框圖

IGBT驅(qū)動電源電路是純硬件電路，是由MOSFET、二極管和電源控制芯片等分立器件組成的特定拓撲結(jié)構(gòu)電路。根據(jù)電源電路可能的失效機理，綜合分析系統(tǒng)工作原理、電路板卡在產(chǎn)品的實際應(yīng)用環(huán)境下所承受的應(yīng)力情況和節(jié)點電路及器件在此系統(tǒng)下的應(yīng)用特點，對其單元電路及元器件的關(guān)鍵參數(shù)進行測試。驗證電路在實際工作時各個節(jié)點的參數(shù)是否符合設(shè)計要求，從而有針對性地提前發(fā)現(xiàn)電路（產(chǎn)品）的潛在缺陷和風(fēng)險。IGBT驅(qū)動電源電路硬件白盒測試主要從電應(yīng)力降額測試、電源完整性測試、信號完整性測試和熱應(yīng)力測試等維度去設(shè)計驗證方案。電應(yīng)力降額測試是評估器件電應(yīng)力余量是否滿足設(shè)計要求。電源完整性評估各個電源信號的性能參數(shù)是否符合受電電路（器件）需求。信號完整性重點關(guān)注功率開關(guān)器件驅(qū)動信號質(zhì)量。熱應(yīng)力測試評估器件實際使用是否滿足熱降額使用要求。

1.2 硬件白盒測試在IGBT驅(qū)動電源電路可靠性評估中的應(yīng)用

1.2.1 電應(yīng)力降額測試

過電應(yīng)力是器件的主要失效機理[3]，也是導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障的主要原因之一。產(chǎn)品在外場的實際使用環(huán)境往往會比實驗室環(huán)境更惡劣、更復(fù)雜、更多變，如果產(chǎn)品在實驗室環(huán)境中使用時，元器件應(yīng)力已經(jīng)達到臨界狀態(tài)，則在外場使用時有很大的概率會發(fā)生失效。此外，部分元器件長時間工作在強電應(yīng)力狀態(tài)會加速其退化，縮短產(chǎn)品的使用壽命。因此有必要在產(chǎn)品設(shè)計時考慮元器件的電應(yīng)力降額，使元器件留有足夠的設(shè)計余量。元器件降額使用可以有效地降低其失效風(fēng)險。

白盒測試能有效地驗證電路器件的電應(yīng)力降額設(shè)計[4]。結(jié)合元器件的主要失效機理進行電路分析，識別能夠?qū)е略骷У闹饕姂?yīng)力及可能誘發(fā)過電應(yīng)力的影響因素。根據(jù)這些因素設(shè)計白盒測試方案，盡可能地使元器件工作于最壞工況下。并在最壞工況下，測試可能導(dǎo)致元器件失效的主要應(yīng)力的應(yīng)力強度。元器件的實測電應(yīng)力強度與元器件規(guī)格書中電應(yīng)力的額定值之比即是元器件在最壞工況下的應(yīng)力比。降額標準可以參考相關(guān)技術(shù)標準。例如：本文論述電路板卡應(yīng)用于民品上時的降額標準時，可以參考民品和工業(yè)品的標準IPC-9592B 2012“Requirements for Power Conversion Devices for the Computer and Telecommunications Industries”[5]。

IGBT驅(qū)動電源電路的主要器件的失效機理及白盒測試點如表1所示。值得注意的是，在條件允許的情況下，硬件白盒測試應(yīng)盡可能地覆蓋電路板卡中所有器件的測試。某濾波電解電容紋波電流白盒測試結(jié)果如表2所示，從表2中可以發(fā)現(xiàn)器件在某特定工況下存在紋波電流降額不足的可靠性風(fēng)險。

表1 IGBT驅(qū)動電源電路板卡主要器件失效機理及白盒測試點

表2 IGBT驅(qū)動電源電路板卡某電解電容白盒測試結(jié)果

1.2.2 信號完整性測試

信號完整性是指信號在信號線上的質(zhì)量，即信號在電路中以正確的時序和電壓做出響應(yīng)的能力。如果電路中信號能夠以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度達到接收器，則可以確定該電路具有較好的信號完整性；反之，當信號不能正確響應(yīng)時，就會出現(xiàn)信號完整性問題。信號完整性包括由于互連、電源和器件等所引起的所有信號質(zhì)量問題[5]。信號完整性問題能導(dǎo)致或者直接帶來諸如信號失真、控制失誤等問題，甚至使系統(tǒng)崩潰。

硬件白盒測試是驗證電路信號完整性的有效手段。各類信號包括電平信號、控制信號和各種總線信號等，與其信號完整性相關(guān)的參數(shù)都是有限的且基本相同的（如信號電平、信號質(zhì)量、信號頻率、上升下降時間、占空比和時序等）。白盒測試驗證這些參數(shù)在電路系統(tǒng)各種工況下是否符合設(shè)計要求，測試結(jié)果應(yīng)滿足器件產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格要求。

在IGBT驅(qū)動電源電路中，信號完整性測試重點關(guān)注功率MOSFET驅(qū)動信號質(zhì)量。MOSFET柵極信號（Vgs）由電源芯片控制發(fā)出。在單板中傳輸時，因為電路設(shè)計和線路干擾等原因，可能會導(dǎo)致MOSFET Vgs出現(xiàn)過沖、毛刺、回勾和振蕩等信號質(zhì)量問題。幾類典型信號質(zhì)量問題如圖2所示。MOSFET的開通關(guān)斷有固定的閾值，這些信號質(zhì)量問題可能會引起MOSFET開關(guān)動作錯誤，導(dǎo)致電源工作異常，甚至損壞器件。白盒測試在各種工況組合下，用示波器監(jiān)測MOFET Vgs信號波形，觀察是否出現(xiàn)上述信號質(zhì)量問題。

圖2 典型的信號質(zhì)量問題

1.2.3 電源完整性測試

電源完整性測試的目的是確認電源來源及目的端的電壓及電流是否符合需求。在電路設(shè)計中，電源質(zhì)量的好壞對單板能否穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的作用，一旦電源出現(xiàn)問題，輕則導(dǎo)致單板部分功能失效、邏輯錯誤，重則使系統(tǒng)功能崩潰甚至損傷器件。對電源質(zhì)量的測試一方面可以評估電源本身的性能，另一方面也可以發(fā)現(xiàn)因設(shè)計和布局布線等導(dǎo)致的電源質(zhì)量不佳等問題。

在電源完整性白盒測試中，理論上應(yīng)評價電路系統(tǒng)中所有涉及電源信號的質(zhì)量，例如：轉(zhuǎn)換芯片（如線型穩(wěn)壓器）、電源模塊（如DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、AC/DC轉(zhuǎn)換模塊）和芯片的電源端（如VDD、VCC）的電源信號質(zhì)量。與電源信號質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)有幅值、紋波、噪聲、電流/功率和動態(tài)響應(yīng)，以及上/下電沖擊和上/下電時序等。在電路系統(tǒng)各種工況組合下，測試電源質(zhì)量參數(shù)，電源參數(shù)測試的合格判據(jù)以滿足受電器件的用電要求為原則。以IGBT驅(qū)動電源電路白盒測試為例，電源完整性白盒測試覆蓋電路中的每個電源信號，包括雙管正激電路兩組主輸出正負電壓、輔助繞組電壓和電源控制芯片VCC信號等。

1.2.4 熱應(yīng)力測試

過熱應(yīng)力是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效的主要因素之一。因此，器件熱應(yīng)力測試對產(chǎn)品可靠性評估至關(guān)重要。理論上，硬件白盒測試的熱應(yīng)力評估應(yīng)覆蓋電路板卡的所有元器件，實際上，由于測試設(shè)備資源的限制，通常會根據(jù)電路、產(chǎn)品工作原理和實際工程經(jīng)驗，篩選出受熱應(yīng)力影響較大或發(fā)熱量較大的關(guān)鍵器件進行溫升評估。IGBT驅(qū)動電源電路板卡關(guān)鍵器件熱失效機理和白盒測試測試點如表3所示[6]。綜合考慮產(chǎn)品的特點和實際應(yīng)用環(huán)境條件，設(shè)計出器件承受最惡劣熱應(yīng)力工況（如設(shè)置負載為最重載，輸入高低電壓等），測試器件的溫度。在電源穩(wěn)定運行和所測器件溫度穩(wěn)定后，通過測溫儀器（如熱電偶儀等）直接測量和記錄器件的殼溫。元器件的實測溫度與元器件規(guī)格書額定值溫度之比即是元器件的熱應(yīng)力比，降額標準可以通過查詢相關(guān)技術(shù)標準獲得。

表3 IGBT驅(qū)動電源電路關(guān)鍵器件熱失效機理和白盒測試測試點

值得注意的是，半導(dǎo)體器件和集成電路規(guī)格中給出的溫度規(guī)格值一般均為最高結(jié)溫。降額標準中，一般也以結(jié)溫作為降額對象。因此，測得的外殼溫升需要通過換算才能得到目標元器件的最高結(jié)溫[7]。

2 結(jié)束語

IGBT驅(qū)動電源電路中，硬件白盒測試針對電子器件和單元電路的失效機理，從電應(yīng)力降額測試、電源完整性測試、信號完整性測試和熱應(yīng)力測試等維度去設(shè)計測試驗證方案，測試在各種工況下器件的參數(shù)和電路關(guān)鍵節(jié)點的電參數(shù)。判斷測試結(jié)果是否符合可靠性要求，暴露電路（產(chǎn)品）的設(shè)計缺陷，從而達到提前識別產(chǎn)品的潛在可靠性風(fēng)險和可靠性評估的目標。