基于电压应力的加速试验设计

张芳，蔡金燕

（军械工程学院光学与电子工程系，河北 石家庄 050003）

1 引言

对于高可靠、长寿命产品，在有限的时间内很难获取足够的失效数据，甚至没有失效数据，应用基于大样本寿命数据的传统可靠性理论方法难以进行相关的可靠性分析。在可靠性试验过程中会产生性能退化数据，其中包含了大量的寿命信息，失效与性能参数不断退化存在着一定的关系，产品性能退化可导致失效，因此，基于性能退化的可靠性分析近年来成为研究的热点[1-2]。同时现代电子装备的研制特点导致一些新的可靠性问题，如工作条件（温度、电源）、任务环境的复杂多变。电子器件在电流、电压或功率等电应力作用下，应力越强，失效速率越快，器件寿命越短[3-4]。因此，开展基于电应力加速试验的研究具有十分重要的意义。

2 开关电源的纹波

电源的优劣直接影响到电子产品的性能，而衡量电源质量的一个重要参数就是其纹波。在模拟电路中，纹波可能引起信号波形的畸变失真，信噪比变差，甚至完全淹没信号；在数字电路中，可能使误码率上升，逻辑电平紊乱，信息系统的可靠性降低，极端情况下将导致失控或误操作。作为一种电子产品的专用电源，开关电源的纹波也将直接影响到电子产品的可靠性，其输出纹波幅度偏大且波形复杂。结合电压应力下电子产品的可靠性加速试验，重点探讨开关电源纹波的实现与控制。

在开关电源中，由于开关管的使用而导致纹波发生了变化，应用以往的参数来表征开关电源的纹波会引起很大的误差[5-9]。通过测量开关电源纹波信号并分析其在时、频域的特点，选择峰-峰值和特征频率作为开关电源纹波的主要特征参数。

3 不同纹波电压应力的实现

根据开关电源纹波的特点和试验需求，对选择的交流信号具有如下要求：峰-峰值与有效值的比要大；峰-峰值和频率可控制。针对上述要求，选用尖顶脉冲为叠加在直流电压上的交流信号，直流电压由纹波极小的开关电源提供。下面仅以某一高频特征频率纹波的实现加以阐述。对不同纹波的电应力进行硬件设计，主要包括脉冲电路的生成、交直流叠加[10-12]和阻抗匹配的实现问题，存在的问题和解决途径如下所述。

3.1 阻性负载情况的实现方案

假设负载为电阻，引入变压器来实现纹波信号（高频脉冲信号）和电压（低压直流信号）的叠加，同时希望变压器能起到阻抗变换的作用，以减少负载对纹波电路（脉冲电路）的影响，实现方案如图1所示。

图1 不同纹波电压应力的硬件框图方案

根据电路要实现的功能，需要给出变压器的类型及参数。由于高频脉冲信号对变压器的要求，选择脉冲型变压器。脉冲变压器的用途是实现脉冲高频信号耦合、阻抗变换、电压变换等，如在晶体管脉冲振荡器中，使集电极和基极间实现强藕合；负载电阻与馈线特性阻抗的匹配；升高或降低脉冲电压；改变脉冲的极性；隔离电源部分的直流成分等。其特点在于输入电压非正弦波，而且是高频交流脉冲方波。它的指标要求比一般工频变压器高，铁芯损耗比较大，常用高导磁铁合金或铁氧体，绕制要求比较严格。 经Pspice软件仿真得出，脉冲变压器的初、次级线圈等有效电感范围为5～100 mH。脉冲变压器的参数指标如下：

变压比：1；

输出功率：5 W；

输出电压：-5～5 V；

工作频率： 10～100 kHz；

等效电感：5～100 mH。

根据所给出的参数订制了几个脉冲变压器，经过比较50 mH的脉冲变压器而使脉冲在交直流叠加前后失真最小。但该方案的不足在于：由于脉冲变压器的引入，破坏了微分电路结构，实现电路等效为一个复杂的RLC电路，而不是一个简单的RC微分电路。当负载为一个电路（等效负载为电阻和电容并联）时，电路结构更加复杂，参数控制更难实现。因此，为了不破坏尖顶脉冲生成电路中的微分电路结构，需要引入输入阻抗大、输出阻抗小的阻抗匹配电路。

3.2 改进方案

如前所述，由于负载电路（等效电路为电阻和电容并联）对微分电路的影响，需要在两级电路之间加入一个阻抗变换电路，以减弱脉冲变压器对微分电路的影响。可以实现阻抗变换网络的途径有：由晶体管构成的射随电路、由运算放大器构成的电压跟随器。前者需要设置合适的静态工作点等来进行设计，并且计算电路参数较复杂，而电压跟随器的设计则相对较简单且容易实现，且由于理想运算放大器的开环差模增益为无穷大，因而它具有比射极跟随器更好的跟随特性。因此选择电压跟随器作为阻抗变换电路，以解决交直流两级电路之间的阻抗匹配问题，设计改进的电路如图2所示，通过示波器测得电路的输出波形如图3、4所示。

图2 不同纹波电压应力的硬件框图改进方案

图3 高频尖顶纹波在叠加直流电压前的电压输出波形

图4 高频尖顶纹波在叠加直流电压后的电压输出波形

4 应力水平的选取

对于如何选取加速寿命试验的加速应力水平，目前国内外都没有进行深入的研究。虽然某些试验对所选取的加速应力水平的可行性进行了简单的验证，但总的来说还是根据工程经验来选取的。

在不同纹波电应力的加速试验中，纹波其实是一个从电源引入的电磁干扰信号。选取加速应力时，需要构建一个评价指标来衡量纹波对试验样本的影响程度，即通过该评价指标，寻找试验样本能承受的最大应力，以此来选取合适的应力范围。试验对象为某型雷达上正弦波信号电路板，失真度是衡量正弦波信号质量好坏的重要性能指标。根据试验样本的实际情况，以波形失真度作为评价指标来选取合适的应力范围。

具体的做法是：使用数据采集系统对被测的信号进行波形数据采集，然后运用曲线拟和的方法对采集数据进行正弦波拟合，得出拟合曲线模型的幅度、频率、相位和直流分量等参数，计算出拟合正弦曲线，测量数据与拟合正弦曲线模型对应点的偏差值作为相应点波形失真测量值。

设一组采集数据xj（j=1，…，m），并使采集数据包含整数个信号周期，得出其最佳拟合信号，如图5所示。

其中a（t）为拟合信号的瞬时值，A，f，θ，d分别为拟合正弦波信号的幅度、频率、初相位和直流分量，则实际失真有效值ρ为：

失真度为：

设应力水平数为n，某一应力水平Si下样本数为m，采集数据为 xij（i=1，…，n），失真度为TDZ（i），可以认为应力水平Si下m个样本信号的失真度服从正态分布如图6所示。

5 结束语

通过测量和分析开关电源纹波信号，选用峰-峰值和特征频率为开关电源纹波的主要特征参数，为不同纹波电压应力的硬件设计提供了信息。根据开关电源纹波特征参数的特点和试验需求，选择尖顶脉冲作为叠加在开关电源直流输出上的纹波。运用交直流叠加和阻抗变换的方法，对不同纹波的电压应力进行了硬件设计，实现了频率、峰-峰值可控制的纹波和直流电压的叠加，解决了不同纹波的电压应力下电子产品可靠性加速试验中的应力问题。根据试验样本的实际情况，以波形失真度作为评价指标来选取合适的应力范围。

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