基于加速退化試驗的脈寬調(diào)制器貯存壽命預測研究

摘" 要： 脈寬調(diào)制器作為開關(guān)電源的核心器件，已廣泛應用于航天器中，但其貯存壽命會影響電源系統(tǒng)的可靠性，進而影響航天器任務(wù)執(zhí)行的成敗。在壽命評估中，加速退化試驗是常用的試驗方法，其中激活能值是預測器件貯存壽命的關(guān)鍵，但目前相關(guān)標準只有器件激活能值的參考范圍，缺乏試驗相關(guān)條件設(shè)置的詳細描述，這會影響壽命評估的精度。為此，文中以JW1525脈寬調(diào)制器為研究對象，分析JW1525的結(jié)構(gòu)及工作原理，設(shè)計并完成72 h的加速退化預試驗，得到器件的退化敏感參數(shù)作為輸出電壓。根據(jù)預試驗結(jié)果設(shè)計并完成440 h的加速退化正式試驗，并結(jié)合Arrhenius模型對正式試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到JW1525的激活能為0.29 eV，常溫下貯存壽命將近70年。通過詳細的器件結(jié)構(gòu)分析和試驗開展，得出脈寬調(diào)制器的激活能和常溫貯存壽命，可為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)和試驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 加速退化試驗； 脈寬調(diào)制器； 貯存壽命； Arrhenius模型； 激活能； 退化敏感參數(shù)

中圖分類號： TN606?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）16?0007?06

Pulse width modulator storage life prediction based on accelerated degradation test

YOU Wenchao1， SUN Gaoyu2， PENG Kefei3， HUANG Jiaoying1

（1. School of Reliability and Systems Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China;

2. School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

3. School of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract： Pulse width modulator， as the core devices of switch?mode power supplies， is widely utilized in spacecraft. However， the storage life of pulse width modulator can impact the reliability of power system， consequently influencing the success or failure of spacecraft mission execution. Accelerated degradation test is a commonly used method in life assessment， where the activation energy value is a crucial factor in predicting the storage life. The relevant standards only have the reference range of device activation energy， and lack the detailed description of test condition setting， which affects the accuracy of life assessment. Therefore， the JW1525 pulse width modulator is taken as the research object， and the structure and working principle of JW1525 are analyzed. A 72 h accelerated degradation pre?test was designed and completed， and the degradation sensitive parameter of the device was obtained as the output voltage. A 440 h accelerated degradation formal testing was designed and completed according to the pre?test results， and the data processing for the formal testing results was conducted by combining with the Arrhenius model. The activation energy of JW1525 was 0.29 eV， and the storage life was nearly 70 years at normal temperature. The activation energy and storage life of pulse width modulator are obtained by the detailed device structure analysis and test， which can provide data and test basis for subsequent research.

Keywords： accelerated degradation test; pulse width modulator; storage life; Arrhenius model; activation energy; degradation sensitive parameter

0" 引" 言

開關(guān)電源是航天器中使用較為廣泛的一類器件，其核心器件是脈寬調(diào)制器（Pulse?Width Modulation， PWM）[1]。脈寬調(diào)制器的主要功能是提供占空比可調(diào)的矩形波信號，通過調(diào)節(jié)輸出信號的占空比就可以控制開關(guān)的通斷。在航天器貯存過程中，脈寬調(diào)制器的電性能會隨時間退化甚至失效，而脈寬調(diào)制器作為核心器件[2]，其失效將錯誤控制或者無法控制電源通斷，進而導致電源失效。根據(jù)統(tǒng)計，超過80%電源設(shè)備的失效會嚴重影響航天器任務(wù)的執(zhí)行。因此，對脈寬調(diào)制器的貯存壽命評估具有重要意義。

目前，自然環(huán)境貯存試驗檢測法和加速退化試驗法是國際上常用的兩種貯存壽命評估方法。其中，自然環(huán)境貯存試驗檢測法是將待測樣品在自然環(huán)境中貯存，研究其退化速率或失效函數(shù)。該方法得到的試驗數(shù)據(jù)真實可靠，但現(xiàn)在很多器件、武器性能良好，常溫貯存壽命可達幾十年甚至上百年，自然環(huán)境貯存試驗檢測法周期過長，難以實現(xiàn)[3]。加速退化試驗法是通過給待測樣品施加遠超過正常應力值的應力，加速器件的退化，可以極大地節(jié)省試驗時間成本。基于此，加速退化試驗法成為貯存壽命評估中的常用方法[4]。

在加速退化試驗中，經(jīng)常使用Arrhenius模型進行壽命評估[5]，而在該模型中激活能的值對壽命預測的精度影響較大[6]。對于不同種類、不同功能的產(chǎn)品，激活能的取值不同。目前，國內(nèi)外相關(guān)標準只給出了器件激活能值的參考范圍，且針對具體器件的加速試驗相關(guān)標準存在條件設(shè)置、數(shù)據(jù)處理等需要完善的問題[7]。所以設(shè)計詳細的加速試驗方案，獲取某一型號元器件激活能的值對壽命評估工作具有重要意義。

本文以JW1525型脈寬調(diào)制器為研究對象，通過結(jié)構(gòu)及原理分析得到脈寬調(diào)制器的關(guān)鍵電特性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，完善加速退化試驗的條件設(shè)置、失效機理一致性判斷方法，并開展預試驗和正式試驗。通過分析試驗結(jié)果，得到脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)及激活能，最終獲得常溫下的貯存壽命。本研究為該型號脈寬調(diào)制器的貯存壽命預測和應用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為同類型器件的貯存壽命預測研究提供了參考。

1" 脈寬調(diào)制器結(jié)構(gòu)及工作原理研究

JW1525是一款常用型號的電流控制型脈寬調(diào)制器，封裝形式為DIP16陶瓷封裝，由基準電壓源、振蕩器、誤差放大器、比較器、輸出驅(qū)動器等組成。在脈寬調(diào)制器的工作過程中，誤差放大器產(chǎn)生直流信號輸出，振蕩器輸出鋸齒波信號。脈寬調(diào)制器的核心功能是通過比較器對這兩路信號進行比較，隨后經(jīng)過推挽電路處理并輸出具有特定占空比的矩形波信號。

在加速退化試驗中，需要根據(jù)器件參數(shù)退化來評估器件貯存壽命。JW1525的基準電壓源、振蕩器、誤差放大器、比較器、輸出驅(qū)動各部分的電特性參數(shù)及范圍如表1所示。

為縮短試驗時間并確保試驗結(jié)果的準確性，試驗選取的測量參數(shù)應能充分表征器件的核心功能。在各部分參數(shù)中，基準電壓值對開關(guān)電源的輸出精度有直接影響。誤差放大器的輸出電壓決定了脈寬調(diào)制器的正常運作，而振蕩頻率、上升時間、占空比和輸出電壓則是脈寬調(diào)制器輸出矩形波的主要參數(shù)?？紤]到現(xiàn)有研究成果，選取基準電壓、誤差放大器的輸出電壓（即補償電壓）、振蕩頻率、上升時間、占空比、輸出電壓作為試驗的測量參數(shù)。這些參數(shù)涵蓋了脈寬調(diào)制器各個關(guān)鍵部分的性能特征。

根據(jù)需要測量的參數(shù)分析器件各引腳的功能，設(shè)計器件的JW1525應用電路，如圖1所示。

2" 加速退化試驗及加速模型分析

加速退化試驗是電子器件貯存壽命評估中常用的試驗方法。該方法通過給待測樣品施加遠超過正常應力值的應力，加速器件的失效，可以極大地節(jié)省試驗時間成本，已成為貯存壽命評估中的常用方法。加速退化試驗在提高應力的同時要保證不改變產(chǎn)品的失效機理，在此前提下，使用相應的加速模型才可以正確預計產(chǎn)品在某一應力下的壽命。

加速退化試驗過程中，需要根據(jù)器件的特性及貯存環(huán)境確定試驗應力類型、應力施加方式、加速試驗模型、加速應力水平、各級應力停滯時間、試驗停止原則等，這些試驗關(guān)鍵因素會影響器件貯存壽命評估的準確性。

產(chǎn)品在貯存過程中經(jīng)受的應力有溫度應力、機械應力、振動應力、濕度應力、電應力等。產(chǎn)品在加速退化試驗中，會結(jié)合產(chǎn)品貯存時實際的應力將應力單獨施加或組合施加。根據(jù)試驗應力的施加方式，加速退化試驗分為3類，分別為恒定應力加速退化試驗、步進應力加速退化試驗、序進應力加速退化試驗。恒定應力加速退化試驗將產(chǎn)品分組，在恒定應力水平下進行試驗[8]，適用于模擬長期使用過程中的應力環(huán)境。恒定應力試驗簡單易行，但試驗時間較長，所需器件數(shù)量較多。步進應力加速退化試驗是設(shè)定幾個應力值，先在全部試件上施加某一應力進行試驗，隨后到設(shè)定好的下一個應力，適用于模擬實際使用過程中應力的變化情況。步進應力試驗能夠模擬實際應力的變化過程，所需器件數(shù)量較少，但需要進行多次加載和卸載，試驗環(huán)境相對而言不穩(wěn)定。序進應力加速退化試驗的應力施加方式是隨時間逐漸增加的，適用于評估材料在短時間內(nèi)的應力加速退化情況。序進應力加速退化試驗的試驗時間相對較短，能夠較快地評估器件的壽命，但對試驗設(shè)備要求較高。三種應力施加方式如圖2所示。

在加速退化試驗中，經(jīng)常選用Arrhenius模型來模擬器件的敏感參數(shù)退化速率與溫度的關(guān)系，公式如下：

[dMdt=Aexp-EakT] （1）

式中：M為器件退化敏感參數(shù)；t為試驗時間（單位為h）；[dMdt]為退化速率；A為常數(shù)（不隨溫度變化而變化）；[Ea]為激活能；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為試驗溫度。

對式（1）左右兩邊積分取對數(shù)，得到壽命的對數(shù)[lnt]和溫度倒數(shù)[1T]的線性關(guān)系，公式如下所示：

[lnt=lnΔMA+Eak?1T] （2）

加速退化試驗在提高應力的同時要保證不改變產(chǎn)品的失效機理，提高試驗應力只是加速了器件的退化速率。在進行加速貯存壽命試驗時，要進行失效機理一致性判斷。對于同一失效機理，其失效激活能是恒定的，因此，加速試驗過程中只需判斷失效激活能是否保持不變，就可以確定失效機理是否相同。

3" 脈寬調(diào)制器貯存壽命評估試驗研究

JW1525的貯存壽命評估試驗分為預試驗和正式試驗。預試驗的目的是探索該型號脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)[9]以及正式試驗應力范圍，為正式試驗奠定基礎(chǔ)。預試驗和正式試驗都采用加速退化試驗方法。在試驗開始前，應進行完善的試驗設(shè)計，規(guī)定應力的加載方法、受試產(chǎn)品要求和試驗停止原則等，以達到試驗快速激發(fā)缺陷的目的。

3.1" 預試驗方案及結(jié)果

在預試驗方案設(shè)計過程中，需要確定試驗應力類型、應力施加方式、加速應力水平、各級應力停滯時間、試驗停止原則等，這些因素直接影響加速貯存壽命試驗的效率和精度，是開展試驗設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。預試驗方案設(shè)計如下。

1） 試驗應力類型。脈寬調(diào)制器等宇航用元器件，在貯存過程中通常會采取防霉菌、防潮濕、防鹽霧等措施，濕度和化學應力對器件影響較小。相反，環(huán)境溫度對器件的影響較為顯著[10]，可視為主要的環(huán)境應力，因此選擇溫度應力作為試驗應力。

2） 應力施加方式。根據(jù)試驗應力的施加方式，加速退化試驗分為3類，分別為恒定應力加速退化試驗、步進應力加速退化試驗、序進應力加速退化試驗。在預試驗中，需要在較短時間內(nèi)得到該型號脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)以及應力范圍，故選定步進應力加速退化試驗。相比于恒定應力加速退化試驗，步進應力加速退化試驗能在較少試驗樣件數(shù)量下，短時間內(nèi)得出脈寬調(diào)制器的退化敏感參數(shù)[11]。

3） 加速試驗應力水平的選擇。JW1525的貯存溫度極限是150 ℃，根據(jù)器件貯存溫度范圍及相關(guān)文獻[12]，擬從135 ℃出發(fā)，選取15 ℃作為應力增量，在每個應力下貯存12 h。貯存結(jié)束后，待器件恢復到室溫再進行參數(shù)測試，保證JW1525完全達到溫度平衡。

4） 試驗停止原則。預試驗在兩種情況下停止：一是脈寬調(diào)制器失效；二是器件施加的應力量級達到或者遠超過器件規(guī)定的貯存應力水平。

5） 硬件系統(tǒng)搭建。選用的硬件設(shè)備有JW1525脈寬調(diào)制器、高溫溫箱、TBS2000 SERIES示波器、GPC?60300電源、UT58B型萬用表、導線若干、電阻若干、電容若干，而計算機作為數(shù)據(jù)處理終端。

在試驗開始之前，室溫下對JW1525脈寬調(diào)制器的電參數(shù)進行測量，器件初始參數(shù)測量值在正常工作范圍內(nèi)。在試驗過程中，應力步進為210 ℃且在該應力下完成12 h貯存后，器件仍未失效。而JW1525的貯存溫度極限是150 ℃，該應力量級已經(jīng)遠超器件規(guī)定的貯存應力水平，預試驗停止，總計耗時72 h。

預試驗完成72 h加速退化試驗后，各部分的基準電壓、補償電壓、頻率、上升時間、占空比、輸出電壓等參數(shù)的退化趨勢如圖3所示。

根據(jù)預試驗結(jié)果可知，輸出電壓退化量較大，退化趨勢明顯，測量過程中較為穩(wěn)定，可以作為貯存壽命評估正式試驗的測量參數(shù)。根據(jù)輸出電壓的退化趨勢，在135～150 ℃，參數(shù)基本無退化；在150 ℃之后，器件退化趨勢明顯。故貯存壽命評估正式試驗的應力范圍可以設(shè)定在150～210 ℃。

3.2" 正式試驗方案及結(jié)果

基于上述預試驗結(jié)果，設(shè)計JW1525貯存壽命評估正式試驗方案。由于預試驗與正式試驗都是加速退化試驗，因此在正式試驗方案設(shè)計過程中，同樣需要確定試驗應力類型、應力施加方式、加速試驗應力水平、各級應力停滯時間、試驗停止原則等。結(jié)合預試驗得到的退化敏感參數(shù)和應力范圍，設(shè)計正式試驗方案如下。

1） 試驗應力類型：與預試驗相同，正式試驗中選用的應力為溫度應力。

2） 應力施加方式：在加速貯存壽命試驗中，需要進行失效機理一致性判斷。恒定應力加速退化試驗中，被試樣件一直穩(wěn)定處于同一環(huán)境下，失效機理一致且外部干擾因素少，壽命評估結(jié)果比較準確。結(jié)合試驗條件，選擇恒定應力加速退化試驗。

3） 加速試驗應力水平：根據(jù)預試驗結(jié)果，退化敏感參數(shù)輸出電壓在150 ℃之后發(fā)生較為明顯的退化，為了在較短時間內(nèi)得出參數(shù)退化軌跡，選取170 ℃（443.15 K）、190 ℃（463.15 K）、210 ℃（483.15 K）三級應力作為正式試驗的試驗應力。

4） 試驗停止原則：正式試驗為440 h定時結(jié)尾試驗。

5） 硬件系統(tǒng)搭建：與預試驗相同。

正式試驗在每個應力水平下投入6個器件作為試驗樣件，其對應的器件編號為A1～A6、B1～B6、C1～C6。在試驗開始之前，所有器件工作均表現(xiàn)正常。經(jīng)過測試，試驗獲得了在各個應力下各器件的11組參數(shù)退化數(shù)據(jù)。

4" 脈寬調(diào)制器激活能及貯存壽命確定

試驗數(shù)據(jù)處理的核心為Arrhenius模型，利用該模型進行數(shù)據(jù)處理，可以得到器件的激活能和貯存壽命。試驗數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

4.1" 脈寬調(diào)制器退化軌跡擬合

建立退化?時間模型，對器件輸出電壓的退化軌跡進行擬合。常見退化?時間模型有以下幾種：

[yi=αi+βit] （3）

[lgyi=αi+βit] （4）

[lgyi=αi+βilgt] （5）

根據(jù)參數(shù)的退化趨勢，選用模型式（3）擬合器件退化軌跡，擬得出各器件的輸出電壓隨貯存時間的退化擬合方程表達式。

4.2" 脈寬調(diào)制器各應力下偽壽命計算

根據(jù)JW1525的詳細規(guī)范和標準，當器件的輸出電壓小于2.55 V時，判定器件失效。根據(jù)失效判據(jù)以及器件退化軌跡擬合方程，計算出各應力下各個器件的偽壽命值。

根據(jù)文獻[13]，半導體集成電路的壽命通常符合對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

[f（t）=1σt2π?exp-12lnt-μσ2，" t≥0] （6）

均值和方差為：

[mean=expμ+σ22] （7）

[variance=exp（σ2）-1exp（2μ+σ2）] （8）

假設(shè)每個應力值下器件的壽命值都符合對數(shù)正態(tài)分布，采用K?S檢驗方法，在顯著性水平是0.05的基礎(chǔ)上，三個應力下器件偽壽命值均服從對數(shù)正態(tài)分布。根據(jù)分布擬合出的[μ]和[σ2]，可以計算出各應力下器件壽命的均值，即各應力下JW1525的偽壽命，計算結(jié)果如表2所示。在三個應力下，器件對應的壽命均值分別是14 155.62 h、11 596.87 h、7 524.18 h。

4.3" 失效機理一致性檢驗

根據(jù)加速模型分析中的公式（2）可知，玻耳茲曼常數(shù)k為恒定值，JW1525壽命的對數(shù)與溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。若要判斷在正式試驗過程中失效機理是否一致，只需判斷三個應力下的壽命均值的對數(shù)[lnt]與溫度倒數(shù)[1T]是否符合線性關(guān)系即可。本次采用最小二乘法擬合器件三個應力下的壽命均值的對數(shù)[lnt]與溫度倒數(shù)[1T]的線性關(guān)系，擬合直線表達式及相關(guān)系數(shù)為：

[lnt=3 362.8051T+2.011 0] （9）

[R2=0.945 85] （10）

由公式（10）可知，相關(guān)系數(shù)[R2]的值非常接近1，可以判斷三個應力下的壽命均值的對數(shù)[lnt]與溫度倒數(shù)[1T]符合線性關(guān)系，即激活能值恒定。從而判定在加速退化試驗過程中，器件的失效機理一致。

4.4" 計算激活能及器件常溫貯存壽命

由4.3節(jié)中失效機理一致性判斷可知，擬合曲線的斜率為：

[b=3 362.805] （11）

該直線的斜率為[Eak]，其中k為玻耳茲曼常數(shù)，則激活能（單位為eV）為：

[Ea=k?b=0.29] （12）

根據(jù)試驗結(jié)果得到，JW1525的激活能為0.29 eV。

在加速退化試驗過程中，即在170～210 ℃時，器件的失效機理一致。而JW1525最大貯存溫度可以達到150 ℃，與加速試驗中的第一級應力相近，且器件為陶瓷封裝，具有良好的耐熱性[14]。因此，可以認為器件在提高應力的同時沒有引入其他失效機理，加速試驗結(jié)果得到的激活能可以用來預測器件的常溫壽命。根據(jù)擬合的函數(shù)表達式可以預測出JW1525型脈寬調(diào)制器常溫下的貯存壽命為70～80年。不同溫度下器件壽命預測如表3所示。

5" 結(jié)" 論

本文以JW1525型脈寬調(diào)制器為研究對象，開展512 h的加速退化試驗，基于Arrhenius模型對試驗結(jié)果進行處理，得到器件的激活能和貯存壽命，主要結(jié)論如下。

1） 脈寬調(diào)制器在溫度應力下的退化敏感參數(shù)為輸出電壓，且參數(shù)在150 ℃以上退化趨勢較為明顯。

2） 在貯存壽命評估正式試驗中，采用恒定應力加載方式，盡量少地引入其他因素的影響，驗證了JW1525 脈寬調(diào)制器失效機理的一致性。

3） JW1525型脈寬調(diào)制器在貯存過程中，不施加任何電應力、機械應力等其他應力，其激活能是0.29 eV，在常溫（25 ℃）下的貯存壽命約是67年。

本研究后續(xù)將獲取脈寬調(diào)制器常溫貯存的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，完善貯存壽命評估試驗并驗證壽命評估的準確性。

注：本文通訊作者為黃姣英。

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