數(shù)字隔離器的失效分析及解決對策

傅錚翔，李飛

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隔離電路具有消除不同接地環(huán)路噪聲、實現(xiàn)中低頻信號電平轉(zhuǎn)換等功能，按照隔離原理可分為光電耦合隔離、電感式隔離、脈沖調(diào)制變壓器隔離、射頻調(diào)制變壓器隔離、電容耦合隔離及數(shù)字隔離[1-3]。數(shù)字隔離芯片主要用來實現(xiàn)各系統(tǒng)元件間數(shù)字信號或者開關(guān)量信號的隔離，具有體積小、成本低及外圍電路簡單等優(yōu)點，廣泛應用在軍用電子系統(tǒng)和航空航天電子系統(tǒng)中[4-5]。作為電子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕d體芯片，數(shù)字隔離電路的穩(wěn)定運行決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當隔離電路失效時，運用失效分析技術(shù)對失效問題進行分析并改善，可以提高產(chǎn)品可靠性。失效分析是根據(jù)失效現(xiàn)象，通過建立故障分析樹對失效原因和失效機理進行定位分析的技術(shù)[6]。

某用戶采用某型號隔離電路作為信號隔離器，其中一塊板卡在上電時隔離電路數(shù)據(jù)無法傳輸且輸出側(cè)出現(xiàn)高電平異?，F(xiàn)象，在運行一段時間后數(shù)據(jù)傳輸恢復正常。本文基于該用戶反饋的異常問題，建立故障分析樹，通過分析失效機理并結(jié)合試驗驗證，定位失效具體原因為帶隙基準異常，為同類產(chǎn)品的失效分析和設(shè)計優(yōu)化提供了參考思路和理論支撐。

2 失效原因分析

該隔離器是一種磁性數(shù)字信號隔離器，能夠?qū)崿F(xiàn)同向四通道的輸入、輸出端口間具備額定1 000 V 交流有效值（均方根）隔離電壓，同時保證25 Mbit/s 范圍內(nèi)不歸零（NRZ）數(shù)字信號的正常傳輸。器件采用塑料隔離封裝鍵合設(shè)計，圖1 為隔離電路功能框圖。應用時，VDD1A 和VDD1B 連接在一起，作為VDD1；VDD2A 和VDD2B 連接在一起，作為VDD2；符號相同的其他端口均連在一起。電路包括編碼芯片、變壓器芯片和解碼芯片三顆芯片。編碼芯片將A、B、C、D 4個通道的輸入端口信號編碼為單、雙脈沖，編碼信號經(jīng)過變壓器芯片耦合后，由解碼芯片將耦合后的脈沖信號解碼還原。VDD1 直接給編碼芯片供電，VDD2 通過內(nèi)部LDO 給解碼芯片輸入級供電。當VDD2 在3.0～5.5 V 變化時，LDO 輸出2.6 V 的固定電壓，給解碼芯片4 個通道的輸入級供電，解碼芯片其他電路仍由VDD2 供電。

由于輸入信號在傳輸過程中需要經(jīng)過編碼芯片、變壓器芯片、LDO 及解碼芯片，其中任一電路出現(xiàn)故障將直接導致輸出異常。根據(jù)問題現(xiàn)象和排查結(jié)果，將故障樹頂事件設(shè)置為電路“上電響應異常”，上電響應異常故障分析樹如圖2 所示，對各分支進行分析排查。

圖2 上電響應異常故障分析樹

2.1 編碼芯片故障排查

編碼芯片內(nèi)部工作原理如圖3 所示，包括邊沿檢測、刷新電路和編碼單元。由于編碼芯片由數(shù)字組合邏輯構(gòu)成，一旦出現(xiàn)故障，異常現(xiàn)象將一直存在，與用戶現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的工作一段時間后恢復正常的現(xiàn)象不一致，故編碼芯片故障可以排除。

圖3 編碼芯片內(nèi)部工作原理

2.2 變壓器故障排查

變壓器芯片為無源器件，因用戶現(xiàn)場調(diào)試中未作任何改變，異常電路在一段時間后工作正常，說明變壓器的初、次級線圈不存在開路或短路的情況，變壓器芯片故障可以排除。

2.3 解碼模塊故障排查

解碼模塊內(nèi)部工作原理如圖4 所示，包括信號傳輸通路和故障保護通路兩條路徑，多路選擇器（MUX）二選一后輸出解碼信號。

圖4 解碼模塊內(nèi)部工作原理

如果超過了看門狗（WDT）計時周期，故障保護通路有效，電路輸出高電平，與異常電路在用戶現(xiàn)場一開始輸出高電平的現(xiàn)象一致，因此需對LDO 進行進一步排查。

2.3.1 LDO 故障排查

LDO 電路為模擬電路，影響模擬電路正常工作的主要因素包括電壓及電流偏置、環(huán)境溫度和電源上下電快慢程度[7]。因用戶使用環(huán)境已明確環(huán)境溫度和電源電壓（3.3 V），可以通過改變電源上下電的速度來逐一確認電流偏置（BIAS）、帶隙基準（BGR）和誤差放大器是否工作正常。經(jīng)驗證，該電路VDD2 上下電斜率為10 V/μs 時，BGR、LDO 測試值接近于設(shè)計值，說明此時LDO 工作正常；VDD2 上下電斜率為40 V/s 時，BGR、LDO 測試值均為0，說明此時BGR、LDO 工作異常。

2.3.2 解碼芯片故障排查

通過聚焦離子束（FIB）將LDO 旁路，即由VDD2直接給解碼芯片輸入級供電，其他不變。在VDD2 上下電斜率分別為40 V/s、10 V/μs 兩種情況下，輸出均能正常響應，由此可以推斷，解碼電路沒有問題。

2.4 失效分析定位

經(jīng)以上排查，明確失效原因為LDO 工作異常，進而使得編碼信號無法繼續(xù)傳輸，觸發(fā)故障保護通路使能，最終輸出高電平。

3 機理分析

3.1 BGR 電路

BGR 電路原理如圖5 所示，將一個負溫度系數(shù)的電壓（三極管的基極-發(fā)射極電壓VBE）和一個正溫度系數(shù)的電壓（兩個工作在不同密度下的三極管的基極-發(fā)射極電壓之差ΔVBE）以適當?shù)臋?quán)重相加，得到一個零溫度系數(shù)的電壓。圖中M表示晶體管數(shù)量。

圖5 BGR 電路原理

由圖5 可推導出BGR 輸出表達式為

其中VBE2為Q2 的基極-發(fā)射極電壓，VT為熱電壓。

LDO 電路原理如圖6 所示，圖6（a）為LDO 中運算放大器的偏置電路，由BIAS 電路產(chǎn)生，圖6（b）為主體環(huán)路。LDO 輸出電壓的表達式為

圖6 LDO 電路原理

由式（1）（2）可知，LDO 輸出與BGR 輸出成正比，即如果BGR 輸出異常，將直接導致LDO 輸出異常，這與異常電路在VDD2 上下電斜率為40 V/s 時BGR、LDO 扎針測試為0 的結(jié)果相符合。

3.2 運放OP-AMP 預置失調(diào)電壓結(jié)構(gòu)

本電路采用在運放差分對預置失調(diào)電壓的方式，通過在版圖上對差分對管源端進行特殊布局設(shè)計來實現(xiàn)，BGR 運放電路結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 BGR 運放電路結(jié)構(gòu)

3.3 失配模型仿真分析

采用廠家提供的三極管及MOS 管的工藝及失配模型，選取10 個樣本分別仿真VDD2 上電100 ms 后穩(wěn)定在3.3 V 的情況，結(jié)果如圖8～10 所示。

圖8 BGR 低溫波形

圖9 BGR 常溫波形

圖10 BGR 高溫波形

由圖8～10 可以看出，在VDD2 上電時間較長時，有一個樣本先在低溫、常溫出現(xiàn)異常，后在低溫、常溫、高溫下均出現(xiàn)異常，說明高溫能夠改善器件在慢速上電時的響應能力，低溫是最惡劣的環(huán)境條件。

4 失效解決方案

由以上分析及板級驗證可知，在使用條件和環(huán)境確定的情況下，異常電路的輸出只與電源VDD2 上電斜率有關(guān)。因此，可通過改變VDD2 上電斜率，以剔除不符合使用要求的電路。VDD2 不同上電斜率的ATE測試失效剔除情況如表1 所示，經(jīng)測試驗證，VDD2 上電斜率在20 V/s 時已可完全剔除存在偏差的電路。最終選擇VDD2 上電斜率為10 V/s 的功能測試碼，相比用戶板級最惡劣的33 V/s 的上電斜率已有足夠余量，確保加嚴測試后的電路滿足用戶使用需求。

表1 VDD2 不同上電斜率的ATE 測試失效剔除情況

5 結(jié)論

針對某型號隔離器在電源上電初期出現(xiàn)響應異常的問題，通過搭建內(nèi)部電路的BGR 及誤差放大器輸出關(guān)鍵節(jié)點扎針測試平臺、進行ATE 上電斜率測試并采用上電仿真等手段多維度復現(xiàn)失效現(xiàn)場，驗證失效機理。

經(jīng)過機理分析及板級驗證，故障原因在于個別電路存在制造工藝偏差，導致BGR 不能正確建立，進而在VDD2 上電初期誤觸發(fā)內(nèi)部故障保護電路，使得電路輸出信號一直保持高電平。該類失效可通過加嚴控制VDD2 上電斜率的方式，并通過ATE 測試進行有效剔除。

本文對某型號隔離器的LDO 失效進行了充分論證，并通過實際板級測試驗證了失效機理，為之后的電路改版及同類電路設(shè)計提供了理論及事實依據(jù)。