基于電壓應(yīng)力的加速試驗設(shè)計

張芳，蔡金燕

（軍械工程學(xué)院光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003）

1 引言

對于高可靠、長壽命產(chǎn)品，在有限的時間內(nèi)很難獲取足夠的失效數(shù)據(jù)，甚至沒有失效數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于大樣本壽命數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)可靠性理論方法難以進行相關(guān)的可靠性分析。在可靠性試驗過程中會產(chǎn)生性能退化數(shù)據(jù)，其中包含了大量的壽命信息，失效與性能參數(shù)不斷退化存在著一定的關(guān)系，產(chǎn)品性能退化可導(dǎo)致失效，因此，基于性能退化的可靠性分析近年來成為研究的熱點[1-2]。同時現(xiàn)代電子裝備的研制特點導(dǎo)致一些新的可靠性問題，如工作條件（溫度、電源）、任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜多變。電子器件在電流、電壓或功率等電應(yīng)力作用下，應(yīng)力越強，失效速率越快，器件壽命越短[3-4]。因此，開展基于電應(yīng)力加速試驗的研究具有十分重要的意義。

2 開關(guān)電源的紋波

電源的優(yōu)劣直接影響到電子產(chǎn)品的性能，而衡量電源質(zhì)量的一個重要參數(shù)就是其紋波。在模擬電路中，紋波可能引起信號波形的畸變失真，信噪比變差，甚至完全淹沒信號；在數(shù)字電路中，可能使誤碼率上升，邏輯電平紊亂，信息系統(tǒng)的可靠性降低，極端情況下將導(dǎo)致失控或誤操作。作為一種電子產(chǎn)品的專用電源，開關(guān)電源的紋波也將直接影響到電子產(chǎn)品的可靠性，其輸出紋波幅度偏大且波形復(fù)雜。結(jié)合電壓應(yīng)力下電子產(chǎn)品的可靠性加速試驗，重點探討開關(guān)電源紋波的實現(xiàn)與控制。

在開關(guān)電源中，由于開關(guān)管的使用而導(dǎo)致紋波發(fā)生了變化，應(yīng)用以往的參數(shù)來表征開關(guān)電源的紋波會引起很大的誤差[5-9]。通過測量開關(guān)電源紋波信號并分析其在時、頻域的特點，選擇峰-峰值和特征頻率作為開關(guān)電源紋波的主要特征參數(shù)。

3 不同紋波電壓應(yīng)力的實現(xiàn)

根據(jù)開關(guān)電源紋波的特點和試驗需求，對選擇的交流信號具有如下要求：峰-峰值與有效值的比要大；峰-峰值和頻率可控制。針對上述要求，選用尖頂脈沖為疊加在直流電壓上的交流信號，直流電壓由紋波極小的開關(guān)電源提供。下面僅以某一高頻特征頻率紋波的實現(xiàn)加以闡述。對不同紋波的電應(yīng)力進行硬件設(shè)計，主要包括脈沖電路的生成、交直流疊加[10-12]和阻抗匹配的實現(xiàn)問題，存在的問題和解決途徑如下所述。

3.1 阻性負載情況的實現(xiàn)方案

假設(shè)負載為電阻，引入變壓器來實現(xiàn)紋波信號（高頻脈沖信號）和電壓（低壓直流信號）的疊加，同時希望變壓器能起到阻抗變換的作用，以減少負載對紋波電路（脈沖電路）的影響，實現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 不同紋波電壓應(yīng)力的硬件框圖方案

根據(jù)電路要實現(xiàn)的功能，需要給出變壓器的類型及參數(shù)。由于高頻脈沖信號對變壓器的要求，選擇脈沖型變壓器。脈沖變壓器的用途是實現(xiàn)脈沖高頻信號耦合、阻抗變換、電壓變換等，如在晶體管脈沖振蕩器中，使集電極和基極間實現(xiàn)強藕合；負載電阻與饋線特性阻抗的匹配；升高或降低脈沖電壓；改變脈沖的極性；隔離電源部分的直流成分等。其特點在于輸入電壓非正弦波，而且是高頻交流脈沖方波。它的指標要求比一般工頻變壓器高，鐵芯損耗比較大，常用高導(dǎo)磁鐵合金或鐵氧體，繞制要求比較嚴格。 經(jīng)Pspice軟件仿真得出，脈沖變壓器的初、次級線圈等有效電感范圍為5～100 mH。脈沖變壓器的參數(shù)指標如下：

變壓比：1；

輸出功率：5 W；

輸出電壓：-5～5 V；

工作頻率： 10～100 kHz；

等效電感：5～100 mH。

根據(jù)所給出的參數(shù)訂制了幾個脈沖變壓器，經(jīng)過比較50 mH的脈沖變壓器而使脈沖在交直流疊加前后失真最小。但該方案的不足在于：由于脈沖變壓器的引入，破壞了微分電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電路等效為一個復(fù)雜的RLC電路，而不是一個簡單的RC微分電路。當負載為一個電路（等效負載為電阻和電容并聯(lián)）時，電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，參數(shù)控制更難實現(xiàn)。因此，為了不破壞尖頂脈沖生成電路中的微分電路結(jié)構(gòu)，需要引入輸入阻抗大、輸出阻抗小的阻抗匹配電路。

3.2 改進方案

如前所述，由于負載電路（等效電路為電阻和電容并聯(lián)）對微分電路的影響，需要在兩級電路之間加入一個阻抗變換電路，以減弱脈沖變壓器對微分電路的影響。可以實現(xiàn)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的途徑有：由晶體管構(gòu)成的射隨電路、由運算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器。前者需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點等來進行設(shè)計，并且計算電路參數(shù)較復(fù)雜，而電壓跟隨器的設(shè)計則相對較簡單且容易實現(xiàn)，且由于理想運算放大器的開環(huán)差模增益為無窮大，因而它具有比射極跟隨器更好的跟隨特性。因此選擇電壓跟隨器作為阻抗變換電路，以解決交直流兩級電路之間的阻抗匹配問題，設(shè)計改進的電路如圖2所示，通過示波器測得電路的輸出波形如圖3、4所示。

圖2 不同紋波電壓應(yīng)力的硬件框圖改進方案

圖3 高頻尖頂紋波在疊加直流電壓前的電壓輸出波形

圖4 高頻尖頂紋波在疊加直流電壓后的電壓輸出波形

4 應(yīng)力水平的選取

對于如何選取加速壽命試驗的加速應(yīng)力水平，目前國內(nèi)外都沒有進行深入的研究。雖然某些試驗對所選取的加速應(yīng)力水平的可行性進行了簡單的驗證，但總的來說還是根據(jù)工程經(jīng)驗來選取的。

在不同紋波電應(yīng)力的加速試驗中，紋波其實是一個從電源引入的電磁干擾信號。選取加速應(yīng)力時，需要構(gòu)建一個評價指標來衡量紋波對試驗樣本的影響程度，即通過該評價指標，尋找試驗樣本能承受的最大應(yīng)力，以此來選取合適的應(yīng)力范圍。試驗對象為某型雷達上正弦波信號電路板，失真度是衡量正弦波信號質(zhì)量好壞的重要性能指標。根據(jù)試驗樣本的實際情況，以波形失真度作為評價指標來選取合適的應(yīng)力范圍。

具體的做法是：使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對被測的信號進行波形數(shù)據(jù)采集，然后運用曲線擬和的方法對采集數(shù)據(jù)進行正弦波擬合，得出擬合曲線模型的幅度、頻率、相位和直流分量等參數(shù)，計算出擬合正弦曲線，測量數(shù)據(jù)與擬合正弦曲線模型對應(yīng)點的偏差值作為相應(yīng)點波形失真測量值。

設(shè)一組采集數(shù)據(jù)xj（j=1，…，m），并使采集數(shù)據(jù)包含整數(shù)個信號周期，得出其最佳擬合信號，如圖5所示。

其中a（t）為擬合信號的瞬時值，A，f，θ，d分別為擬合正弦波信號的幅度、頻率、初相位和直流分量，則實際失真有效值ρ為：

失真度為：

設(shè)應(yīng)力水平數(shù)為n，某一應(yīng)力水平Si下樣本數(shù)為m，采集數(shù)據(jù)為 xij（i=1，…，n），失真度為TDZ（i），可以認為應(yīng)力水平Si下m個樣本信號的失真度服從正態(tài)分布如圖6所示。

5 結(jié)束語

通過測量和分析開關(guān)電源紋波信號，選用峰-峰值和特征頻率為開關(guān)電源紋波的主要特征參數(shù)，為不同紋波電壓應(yīng)力的硬件設(shè)計提供了信息。根據(jù)開關(guān)電源紋波特征參數(shù)的特點和試驗需求，選擇尖頂脈沖作為疊加在開關(guān)電源直流輸出上的紋波。運用交直流疊加和阻抗變換的方法，對不同紋波的電壓應(yīng)力進行了硬件設(shè)計，實現(xiàn)了頻率、峰-峰值可控制的紋波和直流電壓的疊加，解決了不同紋波的電壓應(yīng)力下電子產(chǎn)品可靠性加速試驗中的應(yīng)力問題。根據(jù)試驗樣本的實際情況，以波形失真度作為評價指標來選取合適的應(yīng)力范圍。

[1]ZEHUA C，SHURONG Z.Lifetime distribution based degradation analysis[J].IEEE Transactions on Reliability 2005，54（1）： 3-10.

[2]CRK V.Reliability assessment from degradation data[C]/Proc.Annual Reliability and Maintainability Symposium 2000.

[3]孫青，莊奕琪，王錫吉.電子元器件可靠性工程[M]北京：電子工業(yè)出版社2002.

[4]鹽見弘（日）.失效物理基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1982.

[5]于心亮，范義偉.電源噪聲濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)2006，23（6）： 31-34.

[6]芮坤生.信號分析與處理[M].北京：高等教育出版社，1993.

[7]石峰，趙京偉.直流高壓電源紋波的試驗研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2006，26（1）： 54-59.

[8]吳泉清，陶生桂.激光通信開關(guān)直流電源紋波研究[J].激光雜志2002，23（5）： 21-23.

[9]鞠文耀，封心歌.用于雷達接收機的開關(guān)電源的低紋波設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達 ，2005，27（10）81-82.

[10]楊強，姜學(xué)東.等離子體煙氣脫硫交直流疊加電源設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2007，41（4）： 80-82.

[11]林同光.基于連續(xù)高壓方波脈沖絕緣老化試驗系[D]成都：西南交通大學(xué)，2006.

[12]梁志國，朱濟杰，孫璟宇.正弦信號源波形失真的一種精確評價方法[J].計量學(xué)報，2003，24（2）：144-148.