基于射頻技術(shù)的數(shù)字集成電路老化故障智能定位系統(tǒng)

王麗榮

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100015）

1 引言

自數(shù)字集成電路出現(xiàn)以來，集成電路企業(yè)不斷得到發(fā)展，平均每隔18 至24 個(gè)月芯片中集成晶體管數(shù)生產(chǎn)量提高一倍，器件內(nèi)存縮小為初始的70%。但隨著電路的不斷變化、電路復(fù)雜程度的不斷提升，芯片測試的要求也越來越高，致使電路測試周期延長，且成本增加[1]。迫于市場投放時(shí)間與成本壓力，芯片生產(chǎn)廠家不能對每一種芯片進(jìn)行單獨(dú)可靠性測試，導(dǎo)致數(shù)字集成電路出現(xiàn)故障概率較高。其中，數(shù)字集成電路老化故障是較為常見的電路故障之一[2]。數(shù)字集成電路老化會(huì)縮減電阻的絕緣強(qiáng)度，導(dǎo)致電路出現(xiàn)故障。數(shù)字集成電路老化機(jī)械芯片在運(yùn)行時(shí)，如果有操作不規(guī)范行為可能致使電路出現(xiàn)損傷；電路老化至一定程度時(shí)，則會(huì)影響儀器或芯片運(yùn)行，威脅人們的財(cái)產(chǎn)與自身安全[3]。因此，對數(shù)字集成電路老化故障進(jìn)行定位較為重要，相關(guān)研究者對其進(jìn)行了很多研究。

盧詩華等人提出基于VMD和S變換的多端輸電線路故障定位方法。該方法首先提取了電路故障信號，借助S變換將故障點(diǎn)進(jìn)行分解。通過故障行波的傳輸過程和零線模分量，設(shè)計(jì)了一種雙端定位方法，在獲取故障前線路距離差值后構(gòu)建了故障的判斷矩陣，對電路的支路端進(jìn)行位置的判定，實(shí)現(xiàn)電路故障的精準(zhǔn)定位[4]。該方法對電路的多端故障進(jìn)行定位，準(zhǔn)確度較高，但該方法對電路老化引起的故障考慮甚少，存在一定局限性。寶石等人提出基于最大相關(guān)-最小冗余算法的輸電線路故障定位方法該方法針對電路故障問題構(gòu)建了系統(tǒng)狀態(tài)和故障位置的電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)集，在最大相關(guān)-最小冗余準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，挖掘故障電路故障位置之間的關(guān)系，獲取電路故障之間的關(guān)鍵信息，在此基礎(chǔ)上，綜合多個(gè)信息獲取電路故障結(jié)果[5]。該方法針對電路故障位置確定的適應(yīng)能力較強(qiáng)，但對其他可能引起的故障原因考慮甚少，定位的精度有待提高。

針對上述問題，本文通過射頻技術(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)字集成電路老化故障智能定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過緊致型融合法，將小波函數(shù)當(dāng)作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)，構(gòu)建激活函數(shù)型小波網(wǎng)絡(luò)，通過對該網(wǎng)絡(luò)層次的劃分設(shè)置該檢測網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值與神經(jīng)元總量，將集成電路中可能故障點(diǎn)作為該網(wǎng)絡(luò)的輸入量，確定含有故障的低頻和高頻信號；利用射頻技術(shù)構(gòu)建射頻功率放大器，并設(shè)計(jì)故障識別的電路，在定位通道內(nèi)設(shè)置4 種傳感器，完成數(shù)字集成電路老化故障定位。

2 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的老化故障模式識別

2.1 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

作為一種能夠描述時(shí)間以及信號尺度的小波變化算法，可以很好地描述頻率域與時(shí)間域中的信號，同時(shí)可有效分析電路中不同頻率之間的識別。隨機(jī)函數(shù)的連續(xù)小波變換可表示為：

式中，a 代表尺度因子，b代表位移因子，Rf代表卷積對應(yīng)頻域的相乘關(guān)系，t代表變換時(shí)長。

其逆變公式為：

式中，小波ψa,b代表需要滿足相應(yīng)允許性條件。

本文通過緊致型融合法，將小波函數(shù)當(dāng)作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)，構(gòu)建激活函數(shù)型小波網(wǎng)絡(luò)，依靠該網(wǎng)絡(luò)完成對老化故障模式的識別。

2.2 激活函數(shù)型小波網(wǎng)絡(luò)下老化故障模式識別

在數(shù)字集成電路老化故障定位中，本文采用激活函數(shù)對集成電路故障進(jìn)行識別。

擬定網(wǎng)絡(luò)的輸入為x=[x1，x2，…，xN]，y=[y1，y2，…，ys]代表輸出值，小波函數(shù)ψA，B(*)代表第一層激活函數(shù)，第二與第三層的傳輸函數(shù)為σ(*)。第一、第二與第三層的權(quán)值與神經(jīng)元總量分別為w1k，n，w2m，k，w3s，m，K，M，S，那么網(wǎng)絡(luò)的輸出為：

式中，w代表權(quán)值值。

擬定輸入樣本總量為P網(wǎng)絡(luò)輸出層的第s個(gè)節(jié)點(diǎn)，第P個(gè)樣本的輸出能夠通過式(1)進(jìn)行計(jì)算，擬定成，設(shè)定其期望值為，設(shè)定定義誤差能量函數(shù)為：

存在：

那么通過式(4)與(5)能夠運(yùn)算得到e對w1，w2，w3，a，b的偏導(dǎo)數(shù)為：

在數(shù)字集成電路老化故障定位中，使用帶動(dòng)量項(xiàng)、梯度下滑與自適應(yīng)學(xué)習(xí)率方法，假設(shè)w={w1k，n，w2m，k，w3s，m}、△b={△bk}，△a={△ak}為帶動(dòng)量項(xiàng)，其反向傳輸?shù)膭?dòng)量改進(jìn)公式為：

其中：

式中，mc與lr分別代表動(dòng)量因子與學(xué)習(xí)率。其取值為：

假如e(t)＜e(t-1)，那么mc=MC2，lr=lr×im。

其中，er代表允許最大錯(cuò)誤率，MC1，MC2代表動(dòng)量因子闡述，dm代表學(xué)習(xí)率減少率，im代表學(xué)習(xí)率增長率。

綜上所述，構(gòu)建激活函數(shù)型小波網(wǎng)絡(luò)向其連續(xù)輸入可能含有故障的低頻和高頻信號，進(jìn)而獲得電路的老化故障識別模型[6-8]。

3 射頻功放模塊下老化故障智能定位

3.1 射頻功放集成模塊

射頻功率放大器即一種可以利用射頻技術(shù)，對模塊進(jìn)行集成的方法，其電路結(jié)構(gòu)方便調(diào)整、體積小且可靠性高。射頻集成功放模塊可以使用三菱功放，依靠電臺(tái)工作頻率要求，完成對電路的功放。本文設(shè)定M57719功放模塊。該模塊頻率范圍為145-175MHz，其內(nèi)部如圖1所示。

圖1 M57719的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1中，模塊的最大輸出功率可以達(dá)到14W，輸入和輸出的阻抗擬定為50Ω。射頻信號經(jīng)過1輸入、4輸入，2，3為直流供電段，5 代表接地端。M57719 功放模塊經(jīng)過兩路14V 直流進(jìn)行供電，通過14V 直流電進(jìn)行供電，另外一路通過APC 電路進(jìn)行電壓控制供電，電壓控制供電電流可并行控制射頻功放驅(qū)動(dòng)電路的電壓。

3.2 功率檢測電路

在數(shù)字集成電路老化故障定位中，設(shè)計(jì)功率識別電路。該功率識別電路經(jīng)過D1，D2，D3，D4 以及電阻、電容。其中D1，D2，D3，D4 代表可高速導(dǎo)通的高速導(dǎo)通二極管，二極管的最大反向電壓可以達(dá)到85V，Antennal表示天線低通濾波器在濾波之前經(jīng)過電容C275 耦合的信號，Antennal2 表示濾波后的信號，信號主要經(jīng)過識別電路和電流輸入，經(jīng)過R205～R207、C280～C282 組成的分壓濾波網(wǎng)絡(luò)，將電路信號轉(zhuǎn)化為直流電壓信號AMP，信號的電壓程度與發(fā)射功率的電壓成正比，實(shí)現(xiàn)數(shù)字集成電路老化故障電路的檢測。

3.3 電路老化故障定位

將電路傳感器信號發(fā)送到定位通道內(nèi)[9]，在截取傳感器發(fā)送信號后，迫使電路處于放電狀態(tài)，收集放電過程中信號，并擬定出波形圖。電路老化故障定位通道內(nèi)的示波器參數(shù)、傳感器參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)存在分散性，這三種分量無法讀取延時(shí)，如果通過該參數(shù)分量獲取定位坐標(biāo)，很容易出現(xiàn)誤差。為了保證定位精確，確定實(shí)際延時(shí)與理論延時(shí)二者間的距離，以此可以得出延時(shí)時(shí)間。

定位通道內(nèi)有4種傳感器，將其分別記錄為傳感器1、2、3、4，在局部電路開始放電時(shí)，測定理論延時(shí)與相對距離，通道I和傳感器之間的延時(shí)設(shè)定成T11，T12，T13，T14。在校準(zhǔn)延時(shí)誤差后，利用電磁波向電路內(nèi)部發(fā)送信號，觀察信號波動(dòng)時(shí)間，將其記錄成t1，t2到tn信號以及時(shí)間延時(shí)，同時(shí)將其標(biāo)記成t21，t32，t43，…，，經(jīng)過測量波形一共有100組，其信號狀態(tài)同步，選取其中60 組，確認(rèn)信噪比與延時(shí)時(shí)間，在將延時(shí)時(shí)間與信噪比臨近的同步信號波進(jìn)行對比，設(shè)置0.5ns表示間隔，同時(shí)排列延時(shí)時(shí)間點(diǎn)。具體實(shí)測的延時(shí)值要不斷對其修正，以達(dá)到最佳效果。

依靠射頻技術(shù)對數(shù)字集成電路老化故障進(jìn)行定位，在射頻信號、電感信號或電磁信號間出現(xiàn)耦合時(shí)，傳輸特征較為明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)對電路位置的確定。

電路老化故障識別的載體為電子標(biāo)簽[10]，在電子標(biāo)簽內(nèi)加入不同類型標(biāo)簽芯片以及天線，因?yàn)樾酒哂胁煌攸c(diǎn)，它們的屬性分別為：半電源的芯片，雖然能夠持續(xù)長時(shí)間工作，但靈活性差，無電源的芯片較為靈活，而有電源的芯片則能夠長時(shí)間工作。電子標(biāo)簽是依靠電流頻率決定，在使用單體芯片時(shí)，可以令射頻發(fā)射器在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)射大量信號，從而提升定位準(zhǔn)確度。

在設(shè)計(jì)完電路故障定位模塊后，依靠內(nèi)部傳感器對老化故障區(qū)域進(jìn)行檢測與定位，其流程如圖2所示。

圖2 射頻技術(shù)的數(shù)字集成電路老化故障定位

圖2可以看出，數(shù)字集成電路故障定位能夠分成三步：(1)在進(jìn)行電路故障定位前，需要評定數(shù)字集成電路的整體應(yīng)用狀況，對電路使用時(shí)間進(jìn)行分析，憑借數(shù)據(jù)庫對電路可能出現(xiàn)的故障位置分析。(2)依靠電磁波信號實(shí)現(xiàn)對數(shù)字集成電路老化故障的預(yù)定位，根據(jù)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將電路故障種類分為以下三種即：高阻故障、外護(hù)套故障以及電阻故障。(3)在對數(shù)字集成電路預(yù)定位完成后，對故障進(jìn)行精確定位，找出電路故障精準(zhǔn)頂點(diǎn)、高阻故障精準(zhǔn)頂點(diǎn)與外護(hù)套故障精準(zhǔn)頂點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電路老化故障識別。從而對其進(jìn)行修復(fù)，可以避免因電路故障引起的安全事故。

老化故障定位是通過三次脈沖確定故障點(diǎn)，在處于靜態(tài)時(shí)映射出電磁波波形，對故障點(diǎn)測試，疊加兩條波形后，即可以對故障點(diǎn)進(jìn)行分析。三次脈沖法是以兩條波形作為基礎(chǔ)，設(shè)置參考波形，得到處于靜態(tài)狀態(tài)下的脈沖幅值，其不會(huì)受周圍環(huán)境的干擾。另外，在評定高壓脈沖經(jīng)過電路故障時(shí)所造成的燃弧，以此分析從脈沖到延時(shí)的時(shí)間，進(jìn)而提高老化故障波形精確度，最后將兩種脈沖波形進(jìn)行疊加，而疊加之后出現(xiàn)的點(diǎn)，就是故障點(diǎn)，故障定位點(diǎn)表達(dá)式為：

其中，T為電路產(chǎn)生老化故障的時(shí)間，f 為脈沖值，W為靜態(tài)時(shí)脈沖峰值。

將式(12)引入式(13)內(nèi)，獲得以下計(jì)算流程：

其中，C1，C2，C3表示動(dòng)態(tài)與靜態(tài)疊加點(diǎn)，C代表定位故障點(diǎn)。

在電路故障定位系統(tǒng)內(nèi)引入配電環(huán)網(wǎng)柜，目的是為了負(fù)責(zé)監(jiān)控故障定位流程內(nèi)電路的溫度、電流，一旦檢測到異常情況，立刻發(fā)出警報(bào)聲，從而及時(shí)提醒工作人員對故障點(diǎn)進(jìn)行修理。

4 數(shù)字集成電路老化故障智能定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文擬定的數(shù)字集成電路老化故障定位系統(tǒng)使用分布式模塊化設(shè)計(jì)鏈，將系統(tǒng)分成電流控制模塊、中央處理器核心模塊、通信模塊、射頻模塊、輸入-輸出模塊5部分。其中，CPU核心模塊主要用作數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與處理，對下使用射頻模塊傳輸老化故障信息與定位，對上通過GPRS通信模塊進(jìn)行通信，將老化故障信息、定位坐標(biāo)、故障種類傳輸至處理人員手中，使用TI公司的16位芯片MSP430F5438A，其存在功耗低、外設(shè)豐富與運(yùn)行可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。故障定位系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 數(shù)字集成電路老化故障定位系統(tǒng)

5 實(shí)驗(yàn)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文通過ITC 基準(zhǔn)電路集內(nèi)數(shù)字集成電路作為故障待定位電路，電路實(shí)驗(yàn)建模環(huán)境為Orcad 10.5。電路內(nèi)所有元器件參數(shù)如圖4所示，電阻與電容的容差取均值。

圖4 數(shù)字集成電路

5.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證所提系統(tǒng)的可行性，實(shí)驗(yàn)通過對比本文系統(tǒng)、基于最大相關(guān)-最小冗余方法和基于證據(jù)理論與多模型結(jié)合方法，以故障定位的精度和定位的耗時(shí)為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證所提系統(tǒng)的優(yōu)勢。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.3.1 數(shù)字集成電路老化故障定位精度分析

為了驗(yàn)證所提系統(tǒng)的有效性，實(shí)驗(yàn)對比了所提系統(tǒng)、基于最大相關(guān)-最小冗余方法以及基于證據(jù)理論與多模型結(jié)合方法對樣本電路故障進(jìn)行定位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)字集成電路老化故障定位精度對比

分析圖5可知，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，采用三種方法對樣本電路故障進(jìn)行定位的精度存在一定差距。其中，本文系統(tǒng)對故障定位的精度最高約為90%，而其他兩種方法的定位精度始終低于本文系統(tǒng)。這是由于本文系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障點(diǎn)進(jìn)行確定，然后在各模塊的支持下實(shí)現(xiàn)了定位，提升了定位的精度。

5.3.2 數(shù)字集成電路老化故障定位耗時(shí)分析

在保證樣本電路故障定位精度的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析了三種方法在進(jìn)行故障定位時(shí)的耗時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)字集成電路老化故障定位耗時(shí)(s)

分析表1中數(shù)據(jù)可以看出，采用三種方法對數(shù)字集成電路老化故障定位耗時(shí)不相同。其中，本文系統(tǒng)的定位耗時(shí)最短約為1.2s，而其他兩種方法定位的耗時(shí)始終高于本文方法，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

6 結(jié)束語

為了降低因電路故障而產(chǎn)生的損害，本文提出設(shè)計(jì)基于射頻技術(shù)的數(shù)字集成電路老化故障智能定位系統(tǒng)，通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別故障模式，依靠射頻技術(shù)完成對故障坐標(biāo)的定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠精確地對老化故障進(jìn)行定位，同時(shí)還能夠識別出老化故障。