基于LabVIEW的三極管老化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 針對(duì)一些功率器件(功率三極管、VDMOS,IGBT等),通過有規(guī)律給元器件通電和斷電,循環(huán)施加電應(yīng)力和熱應(yīng)力,可以檢驗(yàn)其承受循環(huán)應(yīng)力的能力?；谏鲜鲈?借助可視化編程語(yǔ)言LabVIEW和NI系列sb RIO-9612板卡,本文設(shè)計(jì)了一種三極管老化測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)滿足國(guó)軍標(biāo)GJB1036的試驗(yàn)要求,每個(gè)工位的采樣時(shí)間不大于4μs,總共64工位的采樣周期不大于300μs,滿足了快速控制的要求,同時(shí)還不失精準(zhǔn),電壓和電流的采樣分辨率達(dá)到了12 bit,精度達(dá)到1%,從而控制了器件結(jié)溫誤差。目前系統(tǒng)已經(jīng)交付運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了用戶的需求,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

隨著航空，航天，能源工業(yè)等領(lǐng)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，電子產(chǎn)品的可靠性問題受到越來越廣泛的重視。電子產(chǎn)品在使用過程中會(huì)遇到不同環(huán)境條件，在熱脹冷縮的應(yīng)力作用下，熱匹配性能力差的電子元器件就容易失效，導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障，造成巨大的人力和財(cái)力損失。電子元器件的老化測(cè)試就是仿照或者等效產(chǎn)品的使用狀態(tài)，通過測(cè)試，將不符合器件剔除，將電子產(chǎn)品的質(zhì)量在加工初期進(jìn)行有效地控制，以保證電子產(chǎn)品使用的可靠性和穩(wěn)定性。

針對(duì)電子元器件的這種情況，我們開發(fā)了一種老化測(cè)試系統(tǒng)，可以主要針對(duì)功率器件(功率三極管、VDMOS，IGBT等)，通過有規(guī)律給元器件通電和斷電，循環(huán)施加電應(yīng)力和熱應(yīng)力，檢驗(yàn)其承受循環(huán)應(yīng)力的能力。

1 工作原理

通過給晶體管通電加熱，使晶體管在當(dāng)前恒定功率下工作，通過一段時(shí)間后，晶體管因?yàn)榘l(fā)熱而使得器件的結(jié)溫持續(xù)升高，到達(dá)設(shè)定值后，斷開恒流源和恒壓源，給器件通風(fēng)，使其溫度降低到設(shè)定值，反復(fù)這個(gè)過程，就可以較為準(zhǔn)確的算出該器件的加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間，達(dá)到了間歇測(cè)試的目的?；镜墓ぷ髟韴D如1所示。

半導(dǎo)體器件的熱阻通常定義為：

其中RθJX=器件結(jié)點(diǎn)到具體環(huán)境的熱阻(替代符號(hào)是θJX)[℃/W];

TJ=穩(wěn)定狀態(tài)測(cè)試條件下的器件結(jié)溫[℃];

TX=環(huán)境的參考溫度[℃];

PH=設(shè)備功耗[W];

測(cè)試條件下器件結(jié)溫可表示為：

Tj=TJ0+△TJ

其中TJ0=器件加熱前的初始結(jié)溫[℃];

△TJ=器件結(jié)溫變化量

通過溫度敏感參數(shù)(TSP)來表示結(jié)溫變化量，公式為：

△TJ=K×△TSP

其中△TSP=溫度敏感參數(shù)的變化量[mV];

K=定義TJ和TSP變化關(guān)系的常量[℃/mV];

溫度敏感參數(shù)可表示為：

TSP=Ie×-4Vce

其中Ie=冷卻測(cè)量時(shí)刻加的恒流源值[mV];

Vce=器件的結(jié)電壓值[mV];

K系數(shù)為結(jié)溫隨結(jié)電壓的變化關(guān)系，固定器K件系數(shù)為常量，不同器件K的系數(shù)不同，可在試驗(yàn)器件的資料中查出，或者廠家給出。其計(jì)算公式可表示為：

其中TJ1和TJ2為兩個(gè)時(shí)刻的結(jié)溫，Vce1和Vce2為結(jié)溫對(duì)應(yīng)的結(jié)電壓。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用PC機(jī)+sbRIO-9612+主控板+驅(qū)動(dòng)板+老化板的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，PC和9612之間通過網(wǎng)口通信，9612與主控板之間通過數(shù)字I/O口通信，sbRIO-9612，主控板，驅(qū)動(dòng)板供電都是由開關(guān)穩(wěn)壓電源完成，程控電源為老化板上的器件提供工作電源，16路差分AD用于采集老化板上待測(cè)器件的電流，電壓以及電源溫度等信號(hào)。系統(tǒng)使用sbRIO-9612加擴(kuò)展板構(gòu)成下位機(jī)，作為系統(tǒng)的主控板;主控板與驅(qū)動(dòng)板采用總線通訊，驅(qū)動(dòng)板主要功能是將主控板進(jìn)來的20對(duì)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換后(硬件實(shí)現(xiàn))給驅(qū)動(dòng)板FPGA，用20路信號(hào)與sbRIO-9612實(shí)現(xiàn)通信，sbRIO-9612通過控制FPGA中的寄存器來實(shí)現(xiàn)電源、恒流源、漏/源的通斷，從而建立功率循環(huán)及合適的采樣條件，硬件示意圖如3所示。

驅(qū)動(dòng)板和老化板分別采用兩個(gè)對(duì)接座連接，電流電壓采樣信號(hào)回傳到sbRIO-9612板上進(jìn)行AD變換后發(fā)送到上位機(jī)。

3 工作流程及實(shí)現(xiàn)

3.1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境。它使用圖形化編程語(yǔ)言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，LabVIEW FPGA模塊將LabVIEW圖形化開發(fā)平臺(tái)擴(kuò)展到基于NI可重配置I/O(RIO)架構(gòu)的硬件平臺(tái)上的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。

3.2 工作流程

工作開始，上位機(jī)按照TCP/IP協(xié)議將控制命令發(fā)送給sbRIO-9612，接收到指令后，根據(jù)上位機(jī)操作，sbRIO-9612將相應(yīng)指令和相關(guān)參數(shù)下發(fā)到主控板，主控板控制驅(qū)動(dòng)板執(zhí)行指令，進(jìn)而控制老化板執(zhí)行相關(guān)操作。

sbRIO-9612主要由兩大部分組成，即FPGA部分和RT部分;在工作的劃分上，由于系統(tǒng)對(duì)速度的要求，其中風(fēng)扇控制，程控電源控制，溫度頻率量讀取，ADC采集，DAC發(fā)數(shù)，差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)饶K分配到速度很快的FPGA部分執(zhí)行，而速度稍慢的RT部分主要實(shí)現(xiàn)的是上位機(jī)指令的解析，老化工作控制和下位機(jī)向上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸工作的進(jìn)行。LabVIEW FPGA工作流程圖如圖4所示。

3.3 工作過程的實(shí)現(xiàn)

3.3. 1 綜述

工作開始前，先連接下位機(jī)，連接成功后，調(diào)用自檢模塊，對(duì)將要做老練測(cè)試的老化板進(jìn)行自檢，自檢成功后，上位機(jī)將參數(shù)下發(fā)到下位機(jī)，然后下發(fā)開始控制命令，下位機(jī)輪詢每塊板子的控制命令字，板子開始工作后，將工作需要的加熱電流和測(cè)量電流以及程控電壓等通過串行數(shù)據(jù)傳輸模塊下發(fā)到驅(qū)動(dòng)板，通過驅(qū)動(dòng)板加載到相應(yīng)的老化板上，給器件加熱，記錄此時(shí)的時(shí)間，即為加熱開始時(shí)刻，當(dāng)前時(shí)刻與加熱開始時(shí)刻之差大于等于開時(shí)間的時(shí)候，停止加熱，打開風(fēng)扇，記錄加熱結(jié)束時(shí)刻，開始AD采集，根據(jù)采集的電流和電壓計(jì)算出結(jié)溫，將數(shù)值傳回上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)溫度變化繪出一條曲線。當(dāng)前時(shí)刻與加熱結(jié)束時(shí)刻之差大于等于關(guān)時(shí)間時(shí)，冷卻完成并結(jié)束測(cè)量，進(jìn)入下一次循環(huán)，循環(huán)次數(shù)到達(dá)后，將此板子置于空閑狀態(tài)。

3.3.2 精度和切換速度的實(shí)現(xiàn)

1)高速ADC采集

SbRIO-9612上集成有AD采集芯片，16位的AD可以保證其采樣分辨率達(dá)到1‰，同時(shí)，4μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，保證了AD的采樣速度;為了消除共模噪聲的影響，將32路AD轉(zhuǎn)換為16路的差分輸入，采集時(shí)每次每個(gè)通道連續(xù)取8個(gè)數(shù)值求均值為本次采集的結(jié)果，同時(shí)配合老化板中采用的高速開關(guān)進(jìn)行切換，保證了采集數(shù)據(jù)的精度要求。下圖是在設(shè)定的10 mA的測(cè)量電流和12 V的程控電壓，通過LabVIEW顯示出當(dāng)前NMOS管(型號(hào)為IRFP460)的結(jié)電壓和當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量得到的管子結(jié)溫，室溫通過安裝在每塊老化板上的溫度傳感器得出為17.3 20 6攝氏度，從圖5中看出，AD采集回來的16通道的值都在小數(shù)點(diǎn)三位后開始波動(dòng)，保證了計(jì)算得到的△Vf的值在小數(shù)點(diǎn)后二位開始波動(dòng)。

系統(tǒng)在加熱狀態(tài)切入到測(cè)量狀態(tài)后20μs內(nèi)可完成所有工位結(jié)電壓的采集，為達(dá)到快速采集要求，編寫程序時(shí)候，考慮到ADC高實(shí)時(shí)性問題，將采集部分分配到sbRIO-9612的FPGA上完成，sbRIO-9612的Onboard Clock為40 MHz，即0.025μs的周期，寫FPGA程序時(shí)，將ADC采集配置(即開關(guān)的切換命令執(zhí)行)和采集數(shù)據(jù)放到順序結(jié)構(gòu)的相鄰的兩幀之間，考慮到開關(guān)切換時(shí)間，中間加1μs的等待，保證數(shù)據(jù)的可靠性，然后開始數(shù)據(jù)采集，ADC采集部分程序如圖6所示。

2)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸

此模塊實(shí)現(xiàn)sbRIO-9612與FPGA之間的通信，通信方式為總線異步訪問的方式，通過串行DAC方式收發(fā)數(shù)據(jù)，所謂串行DAC，即在一定的時(shí)鐘下(時(shí)鐘周期為80 MHz)，按照固定的時(shí)序進(jìn)行串行發(fā)數(shù)，先將地址分配到端口，地址總共為六位，即A0-A5，高四位為地址位(控制板號(hào))，低兩位為驅(qū)動(dòng)板寄存器地址;然后將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，數(shù)據(jù)格式為U8，置高WR/RD，然后：DR位置低，保持兩個(gè)時(shí)鐘周期，DR置高，完成串行DAC寫數(shù)據(jù);同理，讀數(shù)據(jù)時(shí)先設(shè)置地址總線，WR/RD置低，DR置低，保持兩個(gè)時(shí)鐘周期，在兩個(gè)周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)的讀取，DR置高，完成串行DAC讀數(shù)據(jù)。整個(gè)通信模塊按照通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了SbRIO-9612對(duì)FPGA的控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在環(huán)境溫度為25℃，溫升為80℃，加熱恒流源設(shè)置為50 mA，恒壓源設(shè)置為5 V，開時(shí)間設(shè)置為2 300 s，關(guān)時(shí)間設(shè)置為7700 s，定時(shí)模式下，每隔50 ms采樣得到結(jié)溫圖，如圖9，結(jié)束時(shí)刻溫度由于周圍溫度升高，基本很難達(dá)到初始的25℃，但是在溫度降低到了誤差允許范圍內(nèi)。圖中，紅線由NMOS管背部貼的傳感器測(cè)量得出的溫度變化數(shù)據(jù)繪出，黑線由采集回來的數(shù)據(jù)通過結(jié)溫計(jì)算公式計(jì)算出的數(shù)據(jù)描繪出來的，對(duì)比下，傳感器測(cè)出數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)變化保持一致，這就說明了測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了一個(gè)在SbRIO-9612上，用LabVIEW實(shí)現(xiàn)控制一個(gè)老化測(cè)試系統(tǒng)工作，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)訂采集數(shù)據(jù)精度和分辨率，滿足了快速采集和快速控制等要求，在實(shí)際應(yīng)用中，達(dá)到了很好的效果，具有很高的實(shí)用價(jià)值。