硬件白盒测试在电源电路可靠性评估中的应用

罗欣儿，李传业，皮志武，许建强，雷晓敏

（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

0 引言

硬件白盒测试是指在理解产品的实现原理、熟悉产品的特性并充分地了解产品的应用场景的情况下，根据产品的内部实现原理、物理特性和应用要求对产品内部的硬件电路及元器件的关键参数进行的测试。

传统的黑盒测试是基于产品功能的测试验证，将产品看作一个黑匣子，从外部对其施加各种激励并观察产品的响应，以期产品功能失效从而暴露产品的缺陷。从工程实践的效果来看，在产品设计的早期，这样的黑盒测试可能对质量和可靠性的提升有较为明显的促进作用。随着产品的设计越来越复杂并逐渐走向成熟后，仅依靠以产品功能为判定依据的黑盒测试已经很难暴露出产品的缺陷。导致该现象发生的原因一方面是由于施加的各种激励和应力（无论是电信号的输入、机械振动、冲击应力和气候条件）往往都很难真实地再现使用现场环境，另一方面则是由于产品的设计已日趋复杂，很多由外部注入的激励所产生的异常在进入产品内部时已被过滤掉，并不能在产品的整体功能或性能指标上有所体现。然而真正承受异常应力的元器件或单元电路虽然已经工作在正常区间意外甚至是过应力状态，但往往不会因为一次异常或短暂的过应力作用而完全的失效。黑盒测试会因为产品功能和性能未发生失效而认为产品通过测试，导致测试无法发现产品的潜在可靠性风险。

因此，在对产品进行测试验证时，除了开展基于产品功能、性能的黑盒测试外，还需要开展针对产品内部单元电路和元器件参数的硬件白盒测试。通过硬件白盒测试可以检查产品在特定环境和工况下产品内部单元电路和元器件的关键参数，了解单元电路和元器件的工作状态和工作区间，从而达到识别产品潜在可靠性风险的目的。

产品需要承受的应力不是一成不变的，在不同的时间、不同的环境和不同的工况下产品所需要承受的应力类型和应力强度都不一样。在最坏的情况下，作用在产品上的应力会达到最大值，对产品的影响最大。因此，在进行硬件白盒测试时应考虑可能存在的最坏情况。在可能存在的最坏情况下对产品进行测试，以求测得正常使用时施加在产品上的应力的最大值。硬件白盒测试的基本要求如下：1）基于失效机理开展测试，在可能导致产品单元电路及元器件发生失效的应力或参数条件下进行测试；2）尽可能地在存在的最坏工况情况下对产品内部单元电路和元器件进行测试，以获取应力的最大值。

1 白盒测试在IGBT驱动电源电路可靠性验证中的应用

1.1 IGBT驱动电源电路的特点及硬件白盒测试的要点

IGBT驱动电源电路的系统电路框图如图1所示。IGBT模块集成两个分立IGBT器件，分别应用于系统整流逆变电路的上下桥臂。IGBT是电压型驱动器件[1]，为了抗干扰，IGBT的开通关断由栅极正负电压驱动控制。因此IGBT驱动电源电路设计采用的是多路输出，含正负电压的双管正激式开关电源[2]。

图1 IGBT驱动电源电路系统框图

IGBT驱动电源电路是纯硬件电路，是由MOSFET、二极管和电源控制芯片等分立器件组成的特定拓扑结构电路。根据电源电路可能的失效机理，综合分析系统工作原理、电路板卡在产品的实际应用环境下所承受的应力情况和节点电路及器件在此系统下的应用特点，对其单元电路及元器件的关键参数进行测试。验证电路在实际工作时各个节点的参数是否符合设计要求，从而有针对性地提前发现电路（产品）的潜在缺陷和风险。IGBT驱动电源电路硬件白盒测试主要从电应力降额测试、电源完整性测试、信号完整性测试和热应力测试等维度去设计验证方案。电应力降额测试是评估器件电应力余量是否满足设计要求。电源完整性评估各个电源信号的性能参数是否符合受电电路（器件）需求。信号完整性重点关注功率开关器件驱动信号质量。热应力测试评估器件实际使用是否满足热降额使用要求。

1.2 硬件白盒测试在IGBT驱动电源电路可靠性评估中的应用

1.2.1 电应力降额测试

过电应力是器件的主要失效机理[3]，也是导致产品发生故障的主要原因之一。产品在外场的实际使用环境往往会比实验室环境更恶劣、更复杂、更多变，如果产品在实验室环境中使用时，元器件应力已经达到临界状态，则在外场使用时有很大的概率会发生失效。此外，部分元器件长时间工作在强电应力状态会加速其退化，缩短产品的使用寿命。因此有必要在产品设计时考虑元器件的电应力降额，使元器件留有足够的设计余量。元器件降额使用可以有效地降低其失效风险。

白盒测试能有效地验证电路器件的电应力降额设计[4]。结合元器件的主要失效机理进行电路分析，识别能够导致元器件失效的主要电应力及可能诱发过电应力的影响因素。根据这些因素设计白盒测试方案，尽可能地使元器件工作于最坏工况下。并在最坏工况下，测试可能导致元器件失效的主要应力的应力强度。元器件的实测电应力强度与元器件规格书中电应力的额定值之比即是元器件在最坏工况下的应力比。降额标准可以参考相关技术标准。例如：本文论述电路板卡应用于民品上时的降额标准时，可以参考民品和工业品的标准IPC-9592B 2012“Requirements for Power Conversion Devices for the Computer and Telecommunications Industries”[5]。

IGBT驱动电源电路的主要器件的失效机理及白盒测试点如表1所示。值得注意的是，在条件允许的情况下，硬件白盒测试应尽可能地覆盖电路板卡中所有器件的测试。某滤波电解电容纹波电流白盒测试结果如表2所示，从表2中可以发现器件在某特定工况下存在纹波电流降额不足的可靠性风险。

表1 IGBT驱动电源电路板卡主要器件失效机理及白盒测试点

表2 IGBT驱动电源电路板卡某电解电容白盒测试结果

1.2.2 信号完整性测试

信号完整性是指信号在信号线上的质量，即信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度达到接收器，则可以确定该电路具有较好的信号完整性；反之，当信号不能正确响应时，就会出现信号完整性问题。信号完整性包括由于互连、电源和器件等所引起的所有信号质量问题[5]。信号完整性问题能导致或者直接带来诸如信号失真、控制失误等问题，甚至使系统崩溃。

硬件白盒测试是验证电路信号完整性的有效手段。各类信号包括电平信号、控制信号和各种总线信号等，与其信号完整性相关的参数都是有限的且基本相同的（如信号电平、信号质量、信号频率、上升下降时间、占空比和时序等）。白盒测试验证这些参数在电路系统各种工况下是否符合设计要求，测试结果应满足器件产品技术规格要求。

在IGBT驱动电源电路中，信号完整性测试重点关注功率MOSFET驱动信号质量。MOSFET栅极信号（Vgs）由电源芯片控制发出。在单板中传输时，因为电路设计和线路干扰等原因，可能会导致MOSFET Vgs出现过冲、毛刺、回勾和振荡等信号质量问题。几类典型信号质量问题如图2所示。MOSFET的开通关断有固定的阈值，这些信号质量问题可能会引起MOSFET开关动作错误，导致电源工作异常，甚至损坏器件。白盒测试在各种工况组合下，用示波器监测MOFET Vgs信号波形，观察是否出现上述信号质量问题。

图2 典型的信号质量问题

1.2.3 电源完整性测试

电源完整性测试的目的是确认电源来源及目的端的电压及电流是否符合需求。在电路设计中，电源质量的好坏对单板能否稳定运行有着至关重要的作用，一旦电源出现问题，轻则导致单板部分功能失效、逻辑错误，重则使系统功能崩溃甚至损伤器件。对电源质量的测试一方面可以评估电源本身的性能，另一方面也可以发现因设计和布局布线等导致的电源质量不佳等问题。

在电源完整性白盒测试中，理论上应评价电路系统中所有涉及电源信号的质量，例如：转换芯片（如线型稳压器）、电源模块（如DC/DC转换模块、AC/DC转换模块）和芯片的电源端（如VDD、VCC）的电源信号质量。与电源信号质量相关的参数有幅值、纹波、噪声、电流/功率和动态响应，以及上/下电冲击和上/下电时序等。在电路系统各种工况组合下，测试电源质量参数，电源参数测试的合格判据以满足受电器件的用电要求为原则。以IGBT驱动电源电路白盒测试为例，电源完整性白盒测试覆盖电路中的每个电源信号，包括双管正激电路两组主输出正负电压、辅助绕组电压和电源控制芯片VCC信号等。

1.2.4 热应力测试

过热应力是导致半导体器件失效的主要因素之一。因此，器件热应力测试对产品可靠性评估至关重要。理论上，硬件白盒测试的热应力评估应覆盖电路板卡的所有元器件，实际上，由于测试设备资源的限制，通常会根据电路、产品工作原理和实际工程经验，筛选出受热应力影响较大或发热量较大的关键器件进行温升评估。IGBT驱动电源电路板卡关键器件热失效机理和白盒测试测试点如表3所示[6]。综合考虑产品的特点和实际应用环境条件，设计出器件承受最恶劣热应力工况（如设置负载为最重载，输入高低电压等），测试器件的温度。在电源稳定运行和所测器件温度稳定后，通过测温仪器（如热电偶仪等）直接测量和记录器件的壳温。元器件的实测温度与元器件规格书额定值温度之比即是元器件的热应力比，降额标准可以通过查询相关技术标准获得。

表3 IGBT驱动电源电路关键器件热失效机理和白盒测试测试点

值得注意的是，半导体器件和集成电路规格中给出的温度规格值一般均为最高结温。降额标准中，一般也以结温作为降额对象。因此，测得的外壳温升需要通过换算才能得到目标元器件的最高结温[7]。

2 结束语

IGBT驱动电源电路中，硬件白盒测试针对电子器件和单元电路的失效机理，从电应力降额测试、电源完整性测试、信号完整性测试和热应力测试等维度去设计测试验证方案，测试在各种工况下器件的参数和电路关键节点的电参数。判断测试结果是否符合可靠性要求，暴露电路（产品）的设计缺陷，从而达到提前识别产品的潜在可靠性风险和可靠性评估的目标。