一种可编程式模拟芯片自动测试方法及其应用

李演明，黄晟睿，邓新安，张春红，沈宇衡

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）

0 引言

芯片的传统测试需要有一定测试基础的工程师进行测试电路的构建、测试程序的开发以及测试资源配置，整个测试过程复杂繁琐且开发周期长、效率低下。同时，集成电路设计研发的数模混合信号芯片技术应用越来越多，已超过单一模拟芯片的应用，它也是芯片领域国产替代的重要研发方向。数模混合芯片比单一模拟芯片更复杂，因此芯片的测试成本越来越高，部分芯片的测试成本甚至高于制造成本。为此，如果能够开发出一种可快速配置且灵活应用的混合信号芯片自动测试系统，对于混合信号芯片技术的发展具有重要意义。针对模拟/混合信号测试成本高、效率低的问题，本文基于ACCOTEST STS8200 测试机平台提出一种用于混合信号芯片的自动测试系统，完成对于电池保护芯片测试的开发，可有效地减少测试开发时间，大大降低测试成本，具有实际的工程价值与意义。

1 测试分析与测试电路设计

本文所测试的芯片是一款电池保护芯片，该芯片采用SOP⁃14 的封装，适用于串联的3～5 个电池组，为电池包提供过压、欠压、过流和过温保护。表1 给出了该电池保护芯片关键测试项目。

表1 电池保护芯片关键测试项目

本文基于STS8200 测试机平台开发了该电池保护芯片测试方案。STS8200 测试机平台包括测试盒、PC 工作站和测试主机等三个部分。本文用到的资源有一块大功率FPVI 模块、两块小功率FOVI 模块、用户板控制CBIT 模块以及数字通道DIO 模块。

如 图1 所 示，VCC 为 芯 片 提 供 电 压；VC1～VC5 是5 节电池正极的连接端子；RCOT 和RDOT 是检测放电过温和充电过温的连接端子；VINI 是过流检测端子；CO和DO 是过压和欠压检测端子。CBIT 模块使用7 位继电器控制位分别控制电路中的7 个开关；FOVI 模块连接到芯片的每个管脚，提供小功率电压电流；FPVI 模块为Trimming 提供大功率电源；DIO 模块为Trimming 提供数字激励。

图1 中的输入电容电阻网络起到了一定的滤波作用。在测试温度保护时，S3_C 与S4_C 分别闭合，在测试其他指标时，开关S2_C 与S5_C 闭合。

图1 电池保护芯片测试方案

温度保护原理图如图2 所示，DT，CT 端子是电池保护芯片的温度检测引脚，也是电压输出引脚。当其中一个管脚输出参考电压时，另一管脚就处于检测状态。

图2 温度保护原理图

以充电过温为例简要叙述温度保护原理：由CT 端子输出电压

V

，通过

R

与103 NTC 电阻形成分压网络，当DT 采样小于

R

两端电压时，进行温度异常状态下的充电保护。放电过温检测与充电过温检测原理相同，检测管脚相反。

混合信号芯片的FT 测试时需要一些常用数字序列的激励与测量，主机向从机发送数据示意图如图3 所示，STS8200 平台上的DIO 模块可产生可变参数的数字序列，外接SMA 射频接头到待测器件回路，进而准确地遵循待测器件的数字序列进行波形测量。

图3 主机向从机发送数据示意图

FT Trimming 即修调，意味着芯片内部的电路参数在修调的手段下达到芯片设计者的要求或满足用户的应用需求。内嵌存储单元修调电路中，常用的存储单元有OTP、EPROM 等。

因此，本文提出一种基于OTP 的FT Trimming 电路设计，利用IC 总线控制技术和FT Trimming 技术，完成芯片的修调处理和功能模式差异化，有效降低工艺失调、工艺波动等对电路设计的影响，提高芯片设计的良率、可靠性以及系统的灵活扩展。

对于阈值类参数（VOV，VUV，VDOC，VCOC）测试时，必须设法在兼顾精确抓取信号翻转点的同时保证其触发精度。

阈值扫描参数波形示意图如图4 所示。接入测试的

V

/

I

Source 以步进的方式进行电压/电流扫描，必须保证足够的精度和分辨率以确保阈值触发点参数测试的精度，图中每一阶以1 mV 的电压进行升降；也需注意到

V

/

I

源的交流分量应足够小，避免在动态DC 测试时引入交流噪声，干扰测试的稳定度与精确度；更为关键的是必须保证足够快的扫描速度，提升测试效率。

图4 阈值扫描参数波形示意图

2 测试系统软件程序设计

电池保护芯片的阈值测试程序流程如图5 所示。以过压/欠压为例，首先设置工位数，确定要测的指标，设置上下限和电流钳位；然后CBIT 模块控制继电器开关测试

V

/

V

等指标，判断延迟时间是否最短，设置触发点、电压间隔、间隔时间，利用AWG 电压扫描到触发点，设置采样时间和频率，判断结果是否触发，得到测量结果，计算并输出

V

/

V

阈值结果。

图5 电池保护芯片的阈值测试程序流程

对于电池保护芯片的充/放电过流测试程序，由于测试原理与电压阈值的动态扫描方式相同，只需改变对应函数的输入参数与扫描范围，切换对应继电器序列，同时更新寄存器状态。

在针对电池保护芯片进行温度保护功能测试时，也是通过电压扫描方式进行测试，同样只需改变对应函数的输入参数与扫描范围，切换对应继电器序列，同时更新寄存器状态。还有其他一些关键指标，如电流项I_VCC、ICO_HIZ、基 准 电 压 VREF、Open_Short 项OS_VCC、OS_CIT、OS_RCOT、OS_RDOT 等也可通过测试机进行测试，求平均值后得到结果。

3 基于OTP Trimming 测试优化算法

图3 中已经描述了STS8200 平台上的DIO 模块为FT 测试提供数字序列的激励与测量。在此基础上，本文设计一种基于构建参考模型的轮询Trimming 优化算法的测试方法，在FT 测试中不仅具有高效且精准的表现，而且还可以利用算法实时预测Trimming 步长，进行Trimming 后的预测，进而与Trimming 后实际值进行误差比较，最终显示于人机交换界面进行直观体现。具体表现为一旦Trimming 测试条件建立，程序内部立即获得加权被测量，进行偏差计算；同时调用Reference Mode模块进行参考预测，给出具体Trimming 的步长与数字编码，供DIO 模块进行具体协议通信，进而与Trimming之后烧断fuse 的实际测量进行比较，将偏差予以显示，具体程序流程如图6 所示。

图6 Trimming 算法流程

Trimming Step 列举会耗费大量时间，尤其随着设计Fuse 的位数增多后，大大增加编程代码繁琐冗余度，而且Trimming Step 筛选都要测量一次对应电压值，尤其是随着Fuse 预留位数越多，测试时间呈指数级增加，大大降低了单位时间内的测试效率。

因此，在本文算法中，首先将待测芯片Bandgap 的初始测量值设为

V

，即Trimming Bit 为初始默认0000000 时所对应的电压值，计算与目标值偏差电压百分比的值记为V_delta，轮询剩余比较值为

V

，将电压偏差百分比的值V_delta 进行不断的轮询比较，与所对应Trimming Bit 对应的Fuse 修调电压百分比的值不断递减作差，直到轮询结束找到加权后的最优Trimming Step；同时建立参考修调模型，输入初始测量值

V

与最优Trimming Step，即可输出理想Trimming 后的

V

电压值，最终利用Scoreboard 模块进行误差比较，若Trimming Target 与理想

V

数值近似，即代表Trimming 成 功。Round Robin 函 数 和Reference Mode 模块的程序流程如图7、图8 所示。

图7 Round Robin 轮询模块程序流程

图8 Reference Mode 模块程序流程

这里值得注意的是，整个Trimming get Code 算法建立的前提是精准地测量未进行Trimming 的Bandgap 的电压值

V

，所以在程序执行的初始部分应尽可能地进行多次采样求取均值，确保在Trimming 范围内才能进行下一步的计算操作。否则可能引起采样误差或芯片本身Bandgap 电压偏离太远，早已超出范围而导致算法调用、计算并输出错误Trimming Code 的失误动作，造成时间和资源的双重浪费。

4 测试系统实现及结果分析

本节在上述芯片测试的硬件关系及程序设计的基础之上，进行系统级的设计说明，然后对进行Trimming之后的

V

指标进行数据分析。

4.1 测试系统的实现

芯片测试板如图9 所示。针对多串和单串电池保护芯片的不同封装类型定制了不同Socket 夹具，由于芯片管脚较其他混合信号的芯片有极强的规律性，可利用较少的继电器实现多类型的测试。同时，利用多通道的野口接插件即可在连接测试底座Socket 的同时保证与特定自动机械手handler 的连接，以最低的硬件成本实现电池保护芯片的自动测试。现场测试图如图10所示。

图9 芯片测试板

图10 现场测试图

首先，针对相应芯片的测试项应建立对应的测试函数Function 及其详细的测试参数Param；其次，每个测试参数Param 又详细分为不同Condition 加以区别，包含了可设置的每个Function 测试的勾选项。

如图11 所示，测试参数的勾选项设计是非常重要的。通常情况下，对于一般FT 测试而言，还需完成芯片修调程序的开发，因此对于不同芯片不同偏差所需的修调条件也不尽相同。若对Condition 进行可勾选性设计，可以极大程度上地简化测试厂人员对同一芯片不同修调测试程序更新的繁琐环节，只需勾选对应参数即可完成测试程序内部参数传递环节对应部分的代码偏差量，快速完成对应不同版本芯片的测试程序配置，提高芯片测试效率，加快芯片的量产速度。

图11 Condition 参数柔性传递勾选项设计

另外，在配置好对应的测试项之后，应逐个建立对应的测试起始条件及终止条件，并完成对失效芯片的失效模式配置。不同组的失效模式用Bin2，Bin3，…来表示，通常Bin1 代表测试通过。这是为了在实际量产测试时便于对次品分类而设计的，如果芯片在某个测试组的测试项目中fail，那么这颗芯片就会落入对应的Bin 等待处理。依据前文自动测试程序设计流程与思路，在整体测试项配置时应注意收尾。利用开短路测试项Open/Short 项分别保证待测芯片测试前后内部静电保护ESD二极管的正常以及外部管脚之间的独立情况。按照测试关键度依次对前文的过压保护、欠压保护、过流保护、温度保护进行测试。同时，在实际量产测试编程时应考虑多节电池不同版本的Trimming 项预留，即将Limit 的上下限与Trimming 目标值进行浮动设限，从而保证不同版本芯片不同Limit Value 的实现；并在测试程序内部分别加入修调测试项与过压、欠压保护的标志位，按照前文所述进行关键指标的二次测量，满足设计者的设计要求及对应客户的需求。

4.2 测试结果及分析

测试数据统计如表2 所示，测试了31631 颗芯片之后，其中有205 颗芯片超出测试范围，有31426 颗芯片是符合测试范围的，芯片的测试良率为99.35%。

表2 测试数据统计

如图12 所示，在测试了31631 颗芯片之后，图a）为Trimming 前的基准电压，均值大约在2251 mV，频次的标准差为13.29；图b）为Trimming 后的基准电压，均值为2254 mV，且Trimming 后数据的标准差仅为1.766，充分说明FT Trimming 的有效性及精准度。

图12 Trimming 前后的基准电压对比

5 结论

本文对一款电池保护芯片的过压/欠压保护、过流保护、温度保护进行了测试，对基准电压

V

进行Trimming 修调，测试参数及精度均测试成功。本文提出的测试方案在软件上将部分变化的阈值特性设置成可选或可编辑菜单式，工程开发阶段只需通过菜单选项即可实现阈值、版本、模式等的灵活设计。同时，在硬件设计上还考虑了不同封装、不同PIN 顺序等的差异，通过野口转接板的补充设计即可快速实现相同功能不同芯片的测试方案设计，大大缩短了测试的开发周期。实验结果体现了该测试方案的有效性。