DC-DC电源模块寿命评估技术综述

雷 鑫，高 成，李 嘉，黄姣英，杨达明

(1.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京 100191；2.北京遥感设备研究所，北京 100854)

DC-DC 电源模块是一种开关电源电路，它使用功率半导体功率开关组件来完成DC-DC 输出功率转换[1]，广泛应用在航空航天、国防等领域，且具有功率密度高、体积小等优点[2]，其工作状态对整个系统的可靠性和稳定性有着举足轻重的影响[1,3-5]。

寿命是系统可靠性评价中极为重要的组成部分，在新研装备及现役装备中存在着大量的寿命评估需求[6]。随着装备可靠性水平的不断提高，DC-DC 电源模块逐渐向高可靠长寿命方向发展[7-8]，相关寿命评估需求也变得越来越迫切，针对DC-DC 电源模块进行寿命评估有着极大价值和重要意义。

DC-DC 电源模块中包含着一定的薄弱环节，每个环节在电路中承担着不同的任务，在薄弱环节中，电子器件引起的失效是DC-DC 电源模块失效的主要原因，经过统计发现容易失效且在模块中发挥主要作用的器件有[9]：MOSFET、电容、肖特基二极管、电阻、变压器[10]等。因此DC-DC 电源模块主要针对内部器件开展寿命研究，通过分析具体器件以评估电源模块的寿命有助于简化评估工作，提高评估效率。另外，针对整体或利用其他方法对DC-DC 电源模块进行寿命评估的研究也拥有考虑范围广、可探究耦合关系以及方法新颖等优点，具有相当的参考价值。本文对各薄弱环节的主要测试和寿命评估方法以及其他寿命评估方法进行了简要介绍和总结。

1 DC-DC 电源模块工作原理和寿命评估研究方法分类

1.1 工作原理

主电路以及负反馈控制电路结合组成了DC-DC 电源模块的电路系统。其中，“滤波网络+功率变换电路”等于主电路，可以完成功率变换与滤波。输出电压则由负反馈电路进行调节。

采样后，补偿增加级将补偿输出电压与参考工作电压之间的误差。当该信号改变为脉冲序列控制信号时，脉冲宽度需要对其进行调制。脉冲放大由驱动器实现，并且该信号影响功率开关器件的开与断。

对于开关器件而言，周期内的导通占空比利用控制输入信号表示，DC-DC 电源模块的输出电压可利用控制输入信号进行调节。DC-DC 电源模块电路组成如图1 所示。

图1 DC-DC电源模块电路组成

PWM 与PFM 是DC-DC 电源模块通断开关的两种调制方式[9,11]。PWM 调制方式调节占空比的方式为开关频率的利用[12]，其具有噪声低的优势。PFM 调制方式则通过开关频率的不同改变电源电压。

DC-DC 电源模块由于自身的特点和广泛的应用场景导致内部结构复杂[13-16]，故评估其寿命的研究方法也十分丰富。

1.2 寿命评估研究方法分类

DC-DC 电源模块在整个寿命周期中，伴随着各种各样的可能退化和失效，造成退化和失效的原因各不相同。复杂系统的寿命与内部器件的寿命息息相关，若统一其内部器件的寿命或者对所有器件进行寿命预测，则能追求最优性价比，然而实际上各器件之间的寿命性能天差地别，实现难度极大[1]。所以主要的寿命评估方法是针对模块中容易失效或者能影响模块主要功能的器件进行的，即主要研究方法是针对模块内部的薄弱环节进行寿命评估。

考虑到在模块内部各薄弱环节可能存在耦合效应，部分器件存在分析不彻底的实际情况，针对DC-DC 电源模块开展整体寿命评估也具有十分重要的意义。同时，利用加速寿命实验进行寿命评估存在着时间冗长、费用昂贵等一系列问题[17]，部分研究针对这些问题提出了新颖的解决方法，采用虚拟的手段对寿命进行评估。这部分归纳于其他寿命评估方法研究中。研究方法分类如图2 所示。

2 针对薄弱环节的寿命评估方法

2.1 铝电解电容

铝电解电容可用于滤波和储能，广泛存在于输入输出电路中，且在滤波电路中也是其中的重要元件[18-19]，不合要求的电流分量被滤波电容吸收，进一步滤除其纹波电压分量[20]。图3 是某型铝电解电容。

图3 某型铝电解电容

铝电解电容变化一般会导致电源模块的纹波发生变化，故可选择纹波电压作为特征信号，其寿命可通过劣化注入法进行评估，其基本流程如图4 所示。

图4 劣化注入法基本流程图

劣化注入法的主要流程如下：

(1)首先明确研究对象为铝电解电容，根据铝电解电容的滤波作用，选择DC-DC 电源模块的纹波电压值作为特征信号，并确定失效判据。

(2)通过结合前期确定的失效判断准则，改变铝电解电容的等效串联电阻和电容量，利用Saber 软件分析对特征信号的影响。根据相关使用标准，利用工控机、数据采集系统搭建剩余寿命预测实验系统[21]。

(3)使用劣化注入法观察铝电解电容对纹波电压的动态影响，测试数据可用来进行剩余寿命预测。

此方法针对铝电解电容，主要特点是可以控制铝电解电容的劣化参数电容值和等效串联电阻以直接观察DC-DC 电源模块受电容劣化的影响。

2.2 MOSFET

MOSFET 全称为金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)[22]，作为开关器件在DC-DC 电源模块中起开关作用，常用的MOSFET 类型有LDMOS 和VDMOS[23]。

(1)VDMOS

VDMOS 全称为垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(vertical double-diffused metal oxide semiconductor field effect transistor)，广泛应用于小于500 W 的中低功率开关电源中[23-25]，其还具备热稳定性好、高频特性好等优点。

VDMOS 的寿命一般采用恒定电应力温度斜坡法(CETRM，constant electrical stress and temperature ramp stress method)进行评估。CETRM 在进行时使用的电应力不变，通过序进改变温度应力致使器件参数退化，达到加速寿命实验的目的[26-27]。

VDMOS 的恒定电应力温度斜坡法的主要流程为：实验时将样品和石棉板一起放入温箱，连接实验电路之后施加合适的电应力条件以保证：VDMOS 的漏源电压不变；在不同的温度点调节栅源电压保证漏源电流不变[28]。

利用温箱施加合适的初始温度应力，升温速率根据产品条件确定，每48 h 关闭温箱电源，从温箱中取出样品，测量包括阈值电压、导通电阻在内的诸多电参数，实验共进行1 000 h。需要注意的是，在进行电参数测量时，样品需要冷却2 h 后再进行测试。

利用CETRM 理论模型计算样品在正常工作情况下的寿命，过程如下：

式中：M为失效敏感参数；dM/dt为失效敏感参数退化速率；n为电流密度；m为电压幂指数因子；Q为激活能；T为实验结温；t为实验时间；A为某常数；k为玻尔兹曼常数。

模型中的激活能Q可表示为：

式中：Ti(i=1,2,3,4)为实验结温；ΔMj(j=1,2)为T1与T2之间、T3与T4之间敏感参数退化量。式中其余各项已知，可通过其余各项计算Q值，进一步得到：

式中：t为预测工作寿命；T0为在预测工作寿命情况下的工作结温；β 为升温速率；T1为初始结温；T2为失效时结温。

图5 为VDMOS 寿命预测流程图。

图5 VDMOS寿命预测流程图

(2)LDMOS

LDMOS 全称为水平扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(laterally -diffused metal-oxide semi-conductor field-effect transistor)，具有增益强、开关性能好等方面的优点[29-30]，其寿命的预测方法与VDMOS 中提到的CETRM 法基本一致，仅在个别参数方面有所差异，在此不再赘述。

针对VDMOS 和LDMOS 两种研究对象，上述过程以CETRM 作为研究方法，在适当的电应力条件下逐渐升高箱体温度，同时保持部分电参数的数值大小不变以进行实验。该方法获得的实验数据精确，趋势明显，但成本较大，实验时间较长。

(3)热振应力混合研究

部分学者针对热负荷和随机振动对DC-DC 功率升压转换器中金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)焊点疲劳寿命影响进行了研究[31]。研究流程如下：通过建立模型，基于有限元分析提出累积蠕变应变是热循环焊接失效的最重要参数，最大剥离应力是随机振动疲劳失效的主要因素，随机振动和温度循环都会直接影响焊料层的拐角，并且在这些位置会形成裂纹。其研究流程如图6 所示。

图6 热振应力研究基本流程图

帕尔姆格伦-迈纳失效方法被用于结合随机振动以及温度循环两种情况下造成的MOSFET 归一化总损伤。其描述方法为：

式中：DRV为由随机振动引发的损伤；DTC为由温度循环引发的损伤；NS为机械循环次数；ni为循环次数；Nfi为焊点失效的周期数。

2.3 SBD

SBD 全称为肖特基势垒二极管(Shottky barrier diode)，一般作为整流器件在DC-DC 电源模块中应用。具有导通压降低、应用场合丰富等优点，其箝位可在高速逻辑电路中使用[32]。

SBD 的寿命评估方法与VDMOS 一致，利用恒定电应力温度斜坡法(CETRM)进行实验。实验步骤如下：实验前确定失效敏感参数以及相关失效判据，以定量的标准明确SBD 在何时可认为失效；将高温导线与外部实验电路相连，样品放置于温箱中，升温过程后，其稳定工作状态是通过电位器的调节完成的。初始温度应力以及后续温度梯度由温箱供给，升温速率根据产品条件确定，每48 h 从温箱中取出测量其正反I-V 特性曲线，利用CETRM 理论模型计算出SBD的失效激活能和在正常工作情况下的寿命。预测寿命计算方法如图7所示。

图7 CETRM预测寿命计算方法

2.4 过渡焊接结构

过渡焊接结构在DC-DC 电源模块中广泛存在，它们在器件内部起到连接作用，有些关键部位亦需要过渡连接结构的支撑。研究人员在科芬曼森疲劳失效模型的框架下，设计温度循环强化应力实验以研究产品内过渡焊接结构开裂失效引起的问题，考察焊锡量与过渡焊接结构中焊点的寿命与可靠性之间的关系[33]。

科芬曼森公式可表述为：

式中：Δεp为塑性应变范围；B为应变指数；A0为材料常数；Nf为疲劳焊点失效的周期数。

式(6)的修正模型为：

式中：β 为疲劳塑性指数；αsub为基片热膨胀系数；Xdie为芯片焊接层厚度；Ldie为芯片对角线长；αdie为芯片热膨胀系数；ΔT为温循变化；εf为疲劳塑形系数。

温度循环强化应力实验设计如下：确定高低温极限温度，一般取150 和－65 ℃；高低温循环次数100 次起，每100 次向前步进，保温时间为0.5 h，观测节点设置在每100 次循环后，观测对象为焊点的接触点，观测终了时间为焊点开路，观测方法含接触电阻测试、剖面微观结构分析等。

2.5 瓷介电容与厚膜电阻

瓷介电容与厚膜电阻是电源模块中最易发生失效的部位[34]。瓷介电容以陶瓷作为介质，以圆状高介电常数为目标，其工艺不复杂，烧渗法将银制作为电极[35-36]。金属钌系常作为电阻浆料，利用厚膜工艺印刷而成[37]。

针对瓷介电容和厚膜电阻进行寿命预测主要是通过加速寿命实验法[34]，基本流程如图8 所示。

图8 加速寿命实验法基本流程图

(1)对瓷介电容，选取3 批次共450 支样品分别在额定电压、指定温度(85、125 和135 ℃)以及额定功耗下进行总计6 000 h 的加速寿命实验，每1 000 h 对样品进行测试，以元器件参数漂移10%为失效判据测试容值、耗损、绝缘电阻值，判断样品是否失效，收集瓷介电容的失效数据。

(2)对厚膜电阻，在3 种不同的温度下(85、125 和135 ℃)对样品进行加速寿命实验，总时长为6 000 h，每1 000 h 对样品进行测试，以元器件参数漂移10%为失效判据测试阻值，判断样品是否失效。

(3)根据得到的数据计算样品的寿命信息。有如下计算方式：

式中：T′为总小时数；n′为样品数量；t′为单个样品小时数。有元件发生失效时：

式中：λ为失效率；r为失效样品数。无元件发生失效时：

式中：MTBF为寿命。根据加速寿命条件下样品的激活能，预测正常工作条件下的样品工作寿命。

2.6 小结

本节主要针对利用器件评估DC-DC 电源模块寿命的方法进行了分析，讨论了各种方法的具体流程，这些方法大多搭建了实验平台，进行了不同类型的加速寿命实验或温度循环实验，这些流程需要的时长可以作为研究人员选取方法的依据，总结如表1。

表1 针对器件的寿命评估方法比较

3 其他寿命评估方法

3.1 加速寿命实验法

DC-DC 电源模块也可以整体的形式进行寿命评估[38]。采用随机抽样的方式抽取同型号或相似型号的、数量不少于10 只的合格样品，实验条件需满足在125 ℃壳温、满负载情况下进行，总时长至少达10 000 h。确定失效敏感参数为样品的输出电压，并对其进行不间断检测；失效样品在不影响其他样品的情况下进行撤出，且不得替换未出现失效的样品或者停止其余部分的实验。

若无样品失效，样品实验总时间T应当满足：

式中：n为样品个数；t为单个样品实验时长。此时估计MTBF的置信区间：

式中：MTBFL为平均故障间隔时间可接受的下限值；α 为给定的置信度。

若样品失效，则实验总时间T为：

式中：n为样品个数；r为失效样品数；t为未失效样品实验时长；ti为失效小时数。此时有：

通过实验得到的MTBF，在双边置信度为1-2 α 下计算上下限因子：

式中：LF为下限因子；UF为上限因子。以上两式分母均为卡方分布。

利用MTBF与上下限因子计算DC-DC 电源模块在加速实验情况下的失效时间。加速系数AT的计算公式为：

式中：τuse为正常工作条件下的使用寿命；τtest为加速情况下的使用寿命。AT还可表述为：

式中：Tuse为正常工作条件下的壳温；k为玻尔兹曼常数；Ea为激活能。

利用上式计算DC-DC 电源模块的激活能，根据以上公式[39-40]预测得到DC-DC 电源模块的预测寿命。

该方法能够比较精确地得到DC-DC 电源模块的寿命，且针对全系统进行研究可以有效发现内部器件可能存在的相互影响的问题，随机抽样的方法也保证了数据的真实性。但是，全系统加速寿命实验法成本过高，总实验时间过长，对应的数据量巨大，不适用于需要快速得到寿命结论的情况。

3.2 基于分布间距的PHM 寿命评估法

有研究基于分布间距情况，利用PHM 相关方法对DCDC 电源模块进行寿命评估，并进行了实例验证。

PHM 技术是指利用大量的传感器广泛获取设备状态信息，然后根据故障预测结果，制定维护保养方案或者进行其它计算，进而提高设备运行的可靠度[41-42]。基于分布间距的PHM 评估法的主要流程如图9 所示。

图9 基于分布间距的PHM 寿命评估方法流程图

电源模块的监测状态与正常工作数据之间的类似程度由变异系数(CV 值)进行衡量，首先从单一敏感参数角度出发评价电源模块健康与否。但是，由于DC-DC 电源模块的健康状态是由多敏感参数提供的，故利用马氏距离，基于监测状态和正常状态下马氏距离的大小通过相似度评价样品的健康程度。在实例验证中，研究人员对两款电源基于最小冗余最大相关(mRMR)的标准进行了特征的挑选，最终选择了4 个敏感关键参数并进行了重要度排序。利用最重要的特征参数预测DC-DC 电源模块的使用寿命。

该方法相较全系统加速寿命实验法拥有成本低、时间短等特点，能够衡量数据的优先级，可计算出关键参数进行特征选择，数据代表性强，数据量适中。但对数据的选择要求高，计算量大，对研究人员和实验人员都有一定的要求。

3.3 虚拟可靠性评估法

DC-DC 电源模块通常在特定的温度下工作，此时施加于模块上的应力有热应力以及电应力，故分析时应当考虑热电耦合的情况。虚拟可靠性评估是指针对研究对象建立模型，施加相应的应力模拟现实中的实验，提取研究对象的动态数据，对研究对象在相关场景下的表现进行评估[16]。该方法主要针对成品进行，主要流程如下：

(1)基于FMEA、FTA 等方法对电源模块进行可靠性分析。通过FMEA 得出对电源模块产生的影响可能是由哪些不同器件的不同故障模式所引起的；通过FTA 得到造成电源模块相关故障的最小割集；通过可靠性分析得出影响电源模块的薄弱环节。

(2)Saber 软件建立其电路仿真模型，其热仿真模型在确定主要热源后利用ANSYS WORKBENCH 进行建立，电路仿真模型与热仿真模型之间的参数传递利用ISight 实现，以上三者结合得到电源模块电特性仿真结果以及双应力作用下的温度场。在仿真之后可利用实验验证其准确性。

(3)根据双应力下仿真的结果，对电源模块的薄弱环节进行虚拟可靠性评估，得出关键部分的预估寿命。

该方法通过建立模型，施加对应的应力条件达到对研究对象进行寿命预测的目的。该方法简单易用、成本低廉，数据量适中，分析成本低；同样的，该方法也存在不能完全代表实际情况、预测结果可能与现实情况脱节等问题。

3.4 虚拟鉴定法

针对车载DC-DC 电源模块，有学者提出虚拟鉴定法以解决传统加速实验周期长、投入大的问题[43]。针对处于研发阶段的产品，可以采用虚拟鉴定法进行寿命评估，其由“虚拟鉴定+加速测试验证+虚拟鉴定”组成，主要分为以下4 个步骤：

(1)故障易感性的评估。评估产品在已知现场环境中的故障易感性，运用产品可能发生故障的基本模型，使用仿真来确定产品是否满足预期生命周期。在仿真中，失效部位包括应力组件和损伤组件，应力组件考虑了模块设计，损伤组件仅基于材料特性。每部分模型都关注一个可能导致系统故障的特定退化过程，判断哪些部位容易受损。

(2)确定载荷。进行仿真时，指定产品设计体系结构和环境操作现场载荷，设计相关的机械应力和电气故障参数监控，然后对实验车辆进行步进应力仿真实验，以确定失效载荷和破坏载荷。

(3)加速寿命实验。加速寿命实验在略高于现场载荷的情况下进行，即该载荷在正常工作条件之上，但未到失效载荷。这种载荷不足以引起实验样品的完全失效。这些测试用于确认是否正确预测了故障位置、模式和机制。

(4)虚拟鉴定。目的是为确定加速实验载荷条件下的预测寿命。确定实验载荷下的失效时间与现场载荷下的失效时间之比(即加速度系数)。最后，将测试中零件的失效时间分布乘以加速系数，以确定现场的预期失效时间分布。

该方法与虚拟可靠性评估法类似，但不同的是可以确定样品的失效载荷和破坏载荷，判断哪些部位容易在应力过程中受损，以及能够比较精确地控制应力水平。同样的，该方法可能会与现实情况产生一定程度的误差，不能完全代表实际情况。

3.5 小结

本节主要介绍了其他评估DC-DC 电源模块寿命的方法，这些方法在数据量、数据计算复杂度、实验时长、实验成本方面各有优缺点，如表2 所示。

表2 其他寿命评估方法的优缺点

4 结论

DC-DC 电源模块的应用场景丰富，且使用需求不断提升，给其发展带来了良好的机遇。随着装备可靠性水平的不断提高，DC-DC 电源模块发展方向逐渐转为高可靠长寿命，相关寿命评估需求也变得越来越迫切。本文简要总结了DCDC 电源模块的寿命评估方法，并对各方法进行了分析，主要完成了以下工作：

(1)常用寿命评估方法的分类。按照研究对象和研究方法的不同，对DC-DC 电源模块寿命评估的方法分为两大类：针对薄弱环节的寿命评估方法和其它类型的寿命评估方法。

(2)对各方法的操作流程进行了总结概括。梳理了CETRM 法、劣化注入法、基于分布间距的PHM 寿命评估法、虚拟可靠性评估法和虚拟鉴定法等一些方法的实验流程，阐述了各方法需要的数学工具以及计算寿命的步骤。

(3)对各方法的优缺点进行了总结概括。针对各方法需要的时长、成本、数据量等要点进行了分析，根据寿命评估方法的分类、使用时长的不同以及优缺点的描述，总结归纳并形成了分析表格。

本文可为研究人员提供参考，研究成果可用于现有DCDC 电源模块寿命评估工作之中。