1、电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering961 集成电路质量与可靠性在一定程度上可以说是集成电路的生命。好的品质，长久的耐力往往就是一颗优秀芯片的竞争力所在。任何一颗芯片研发成功的过程，除了设计，流片封装测试外，必须进行可靠性验证特别是老化测试1，用以评估芯片的寿命及可能存在的质量风险2,3。集成电路可靠性测试中，高温高湿或温度循环时的带电老化测试为最必不可少的一环。国际电子行业标准化组织如 JEDEC，电子设备工程联合委员会，都制定了相关的标准如 JESD22
2、-A108-A。在这些目前较为流行的可靠性测试方法中，直流电源是其中老化测试环节中最常用和必不可少的基本设备。而在进行批量老化测试时，同一环境箱体内会包括多种产品的老化测试，而且一般每个产品都需要超过 22个样本，在这时需要超过二十路的电源供电。但是目前商用直流电源多小于四路输出，用于批量老化测试，需要用到多个商用直流电源显然是不经济和不实用的。采用商用直流电源供电的主要缺点：（1）电源成本高，单价在几百到上万不等，这导致当一个试验需要多组电源时，总体成本高。（2）一般商用电源输出电压固定，不能程序调节，无法满足多组不同样品的电压需求。带有电流电压自动监测功能的多路直流供电系统设计潘禹之1余艳
3、玲2（1.翱捷科技股份有限公司 上海市 201203 2.东南大学电子科学与工程学院 江苏省南京市 210096）摘要：本文介绍了一种带有电流电压自动监测功能的多路直流供电系统设计，详细说明了该系统的硬件和软件流程设计。该系统有体积小、使用方便、性价比高、支持多种自动监控等优点。关键词：集成电路；芯片；直流供电；过压监控；过流监控图 1：系统结构图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering97（3）无自动电压及电流检测功能，如果多组产品并联使用，无法精准定位单个有
4、缺陷的被测品，且多个产品并联使用时，一旦出现短路时，所有产品都将无法正常工作，使用效率低下。而因商用电源接口裸露，容易造成短路损坏被测产品等。这时会导致无法判断是老化测试电源导致被测芯片失效，还是芯片本身可靠性不良。这种情况发生的话必须重新进行试验，浪费了极大的工作量和时间成本。本设计是在上述集成电路的批量老化测试使用诉求的驱动下研发成功的多路直流供电系统。该系统理论上可以实现无限多路的直流供电，最大化的提高常规电源的利用率，也可以极大节约空间和使用成本。此外本设计可以实现多种实时检测功能，可以根据需要通过编程控制，对各种参数进行设定，将参数存储在存储单元中，并实时显示或存储记录各种状态、数据
5、。当后端负载出现过压、过流、开短路等任何异常情况时，系统会进行报警，并可以通过读取状态定位失效位置。本系统具有以下优点：（1）低成本，直流供电输出路数可以自由设置，无输出数量限制；（2）可编程控制，直流供电输出精度高；（3）系统每个支路供电独立，供电支路出现异常时不会影响其他支路。所有的输出可以进行电压、电流设定调节；（4）检测结果实时反馈到显示模块上；（5）对稳定的持续电流输出进行监控，当输出出现波动时及时进行记录、反馈和报警。2 系统设计原理本系统是带有电流电压自动监测功能的多路直流供电系统，其工作过程由硬件和软件共同完成。硬件包含了MCU、AC-DC、DC-DC、电流档位检测调节、电流输
6、出、AD 检测、OVP、显示模块、存储单元、报警模块。图 1 为系统结构图，其中各模块的说明：AC-DC 模块：直接接到市电或者交流电源，通过转换产生直流电压；DC-DC 模块：是 BUCK 结构，将 AC-DC 模块产生的直流电压转换成更低的电压，通过 MCU 或者外部阻容等方式进行调节；电流档位检测模块：由 MCU 的电流调节程序来选择不同的档位，该档位也同时确定 AD 检测的精度；AD 检测模块：实时检测电流输出模块的电流值和电压值，并将数据反馈到 MCU；电流输出模块：为外部负载提供电流驱动能力；OVP 模块：接在负载前，即每一路输出的末端。其作用是过压保护检测，同时也是起到可控开关的
7、作用；当电压超过预设值，会触发关断功能，同时会反馈到MCU，触发报警。显示模块：显示通道的编号、电流、电压、以及故障状态等；存储单元：存储初始设定的一些基准参数，用于比较及判定相关的故障状态等；报警模块：是指示灯、蜂鸣器等各种具有指示作用的器件或者器件阵列。以实现其中一路带有限流功能的多路电压源为例，其工作过程如工作流程图提炼简述如图 2。2.1 电压源的输出设定（1）市电或者交流电经 AC-DC 模块后，产生直流电压 V1；（2）DC-DC 模块通过外接电阻调节可以将 V1 转化成可调电压 V2。图 2：工作流程图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技
8、术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering982.2 多种AD检测功能的实现通过一个通用的 8 位单片机 ATMEGA32，程序设定将当前的 DC-DC 对应的输出模块的电流上限设定为I1，此时，AD 检测模块的电流检测范围就为 0 到 I1。AC-DC 电源稳定检测：该直流供电系统有一个锂电池作为备用电源供电功能，当 AC-DC 系统电源稳定时，通过 MCU 配合充电管理芯片对锂电池进行持续充电，电池充满后反馈给 MCU，MCU 中断充电，并实时检测电池电压，当电池电压低于预设的电压阈值时，重启充电。同时该锂电池在 AC-DC 电源稳定时
9、处于极低耗电状态，当 AC-DC 出现波动时，MCU 供电被切换由锂电池供电，并中断所有 DC-DC 系统电压输出，保护OVP 后端的负载不被打坏。持续供电电压检测：AD 实时检测 DC-DC 的输出电压，将对应的输出电压与设定值进行比对，当电压波动范围超出设定值时，触发报警状态。如果 OVP 突然进入保护状态，则立刻关闭该输出电流模块，同时反馈到 MCU，触发报警状态。电压开路监测：当 OVP 未开启，后端系统未上电时，MCU会检测后端系统电压和电流，判断为开路异常，并进行报警。在该系统中，设定为绿灯闪烁，蜂鸣器报警。极轻负载防止误触发功能：当 OVP 开启后，MCU会在极短的时间内记录 O
10、VP 自身耗电，并用系统耗电总电流减去 OVP 自身耗电电流，从而精准的得到 OVP后端系统电流，当 OVP 后端系统电流无限接近于 0 时，MCU 会将该支路放在最低负载电流档位，并不会进行开路报警，除非该系统耗电大于最低电流档位门限时，才进行异常报警并中断系统电压输出。持续供电电流检测：系统共设定五个阶梯级电流比较档位，在 OVP 启动后 T1 时间内，MCU 将 AD 检测的系统电流进行处理，减去 OVP 等自身耗电，得到精准的 OVP 后端负载电流，在 T2 时间段内将得到精准负载电流放入存储模块对应的电流档位中，并继续实时检测负载电流，当负载电流出现周期性变大变小的情况，MCU 初步
11、判断为 OVP 后端负载电容在高温等情况下存在漏电，如果变化的范围超过该系统之前存储的电流档位的范围，则进入第二阶更宽的电流档位但不进行报警处理，如果达到第三阶则进行异常报警并中断后端系统供电。3 实际效果3.1 输出电压的实际测试值与设定值对比该系统方案的最大可调输出电压为 24V，设定值和实际电压测试值的对比如图 3 所示；从图 3 曲线可看出，设定值与实测值完全拟合。3.2 极轻负载防止误触发功能的示例：设定值 实测值电压设定值和实测值折线图2.51V2.516V 3.00V3.001V3.50V3.503V4.00V4.005V4.52V4.526V5.02V5.021V5.52V5.
12、521V6.00V6.002V6.50V6.503V7.00V7.002V7.52V7.528V7.99V7.995V图 3：设定电压与实测电压对比图 4：空载显示电流电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering99比如第三路的电压设定值为 5.07V，初始耗电为7.4mA，按下红色按键 1s 后将初始电流清零，检测到负载电流为 0mA（如图 4）。如果负载电流持续为 0mA 左右，MCU 会将该通道判断空载状态，并将其设定为负载电流最低档(上限5mA)，在工作的过
13、程中，如果负载电流大于 5mA，则触发报警，LED 绿灯闪烁，并关断该通道。3.3 持续供电电流检测实际效果比如，在减去 OVP(含 LED)自身耗电后，负载电流在 24.96mA 左右，15min 内 MCU 不会检测负载电流，15min 后该初始负载电流值会存储在 MCU 中，当输出负载电流突然变化 15%时，800ms 内 MCU 不会处理，800ms 后如果变化的电流仍未消失，MCU 会立即关断该支路系统，该支路进入短期的打嗝模式且不影响其他支路工作，保护后端器件，LED 绿灯闪烁报警。而如果负载电流直接远大于24.96mA，接近于短路，即使未设置负载电流检测，当 MCU 检测到负载短
14、路时，会进入打嗝模式，并限制该支路的平均电流，从而不会影响其他支路工作，同时 LED 绿灯闪烁报警，见图 5。4 总结本设计是为了满足在电子产品的各类生产活动及测试过程中,尤其是批量老化测试的实际需求而研制的直流供电系统。本系统可以依据实际需要，扩充通道数。并且可以实现多种实时检测功能，可以根据需要编程控制，对各种参数进行设定，将参数存储在存储单元中，并实时显示或存储记录各种状态、数据。当后端系统出现过压、过流、开短路等任何异常情况时，系统都会进行报警，并通过读取状态定位失效位置。是一种经济实用的电源系统。参考文献1 余燕玲,魏天宇,赵志伟,等.基于 DDS 的模拟集成电路测试系统 R.2021 年第四届电路、系统和仿真国际会议（ICCSS）,2021,118-122.2 金泰浩,郭伟,等.老化对产出的影响 J.IEEE电子包装制造学报,2000(23):293-299.3 D.Pantic.集成电路老化对获得高可靠性产品的好处 J.EEE 可靠性学报,1986(35):1.作者简介潘禹之（1972-），男，天津市人。大学本科学历，中级职称，现供职于翱捷科技股份有限公司。研究方向为信息处理。图 5：打嗝模式及 LED 闪烁
