基于LabVIEW的三極管老化測試系統設計

隨著(zhù)航空，航天，能源工業(yè)等領(lǐng)域對電子產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，電子產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題受到越來(lái)越廣泛的重視。電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中會(huì )遇到不同環(huán)境條件，在熱脹冷縮的應力作用下，熱匹配性能力差的電子元器件就容易失效，導致電子產(chǎn)品故障，造成巨大的人力和財力損失。電子元器件的老化測試就是仿照或者等效產(chǎn)品的使用狀態(tài)，通過(guò)測試，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定性。

針對電子元器件的這種情況，我們開(kāi)發(fā)了一種老化測試系統，可以主要針對功率器件(功率三極管、VDMOS，IGBT等)，通過(guò)有規律給元器件通電和斷電，循環(huán)施加電應力和熱應力，檢驗其承受循環(huán)應力的能力。

1 工作原理

通過(guò)給晶體管通電加熱，使晶體管在當前恒定功率下工作，通過(guò)一段時(shí)間后，晶體管因為發(fā)熱而使得器件的結溫持續升高，到達設定值后，斷開(kāi)恒流源和恒壓源，給器件通風(fēng)，使其溫度降低到設定值，反復這個(gè)過(guò)程，就可以較為準確的算出該器件的加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間，達到了間歇測試的目的?；镜墓ぷ髟韴D如1所示。

半導體器件的熱阻通常定義為：

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

TJ=穩定狀態(tài)測試條件下的器件結溫[℃];

TX=環(huán)境的參考溫度[℃];

PH=設備功耗[W];

測試條件下器件結溫可表示為：

Tj=TJ0+△TJ

其中TJ0=器件加熱前的初始結溫[℃];

△TJ=器件結溫變化量

通過(guò)溫度敏感參數(TSP)來(lái)表示結溫變化量，公式為：

△TJ=K×△TSP

其中△TSP=溫度敏感參數的變化量[mV];

K=定義TJ和TSP變化關(guān)系的常量[℃/mV];

溫度敏感參數可表示為：

TSP=Ie×-4Vce

其中Ie=冷卻測量時(shí)刻加的恒流源值[mV];

Vce=器件的結電壓值[mV];

K系數為結溫隨結電壓的變化關(guān)系，固定器K件系數為常量，不同器件K的系數不同，可在試驗器件的資料中查出，或者廠(chǎng)家給出。其計算公式可表示為：

其中TJ1和TJ2為兩個(gè)時(shí)刻的結溫，Vce1和Vce2為結溫對應的結電壓。

2 系統架構

系統采用PC機+sbRIO-9612+主控板+驅動(dòng)板+老化板的結構，如圖2所示，PC和9612之間通過(guò)網(wǎng)口通信，9612與主控板之間通過(guò)數字I/O口通信，sbRIO-9612，主控板，驅動(dòng)板供電都是由開(kāi)關(guān)穩壓電源完成，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器件的電流，電壓以及電源溫度等信號。系統使用sbRIO-9612加擴展板構成下位機，作為系統的主控板;主控板與驅動(dòng)板采用總線(xiàn)通訊，驅動(dòng)板主要功能是將主控板進(jìn)來(lái)的20對差分信號轉換后(硬件實(shí)現)給驅動(dòng)板FPGA，用20路信號與sbRIO-9612實(shí)現通信，sbRIO-9612通過(guò)控制FPGA中的寄存器來(lái)實(shí)現電源、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。

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

3 工作流程及實(shí)現

3.1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是一個(gè)程序開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺擴展到基于NI可重配置I/O(RIO)架構的硬件平臺上的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。

3.2 工作流程

工作開(kāi)始，上位機按照TCP/IP協(xié)議將控制命令發(fā)送給sbRIO-9612，接收到指令后，根據上位機操作，sbRIO-9612將相應指令和相關(guān)參數下發(fā)到主控板，主控板控制驅動(dòng)板執行指令，進(jìn)而控制老化板執行相關(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，由于系統對速度的要求，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，差分數據傳輸等模塊分配到速度很快的FPGA部分執行，而速度稍慢的RT部分主要實(shí)現的是上位機指令的解析，老化工作控制和下位機向上位機的數據傳輸工作的進(jìn)行。LabVIEW FPGA工作流程圖如圖4所示。

3.3 工作過(guò)程的實(shí)現

3.3. 1 綜述

工作開(kāi)始前，先連接下位機，連接成功后，調用自檢模塊，對將要做老練測試的老化板進(jìn)行自檢，自檢成功后，上位機將參數下發(fā)到下位機，然后下發(fā)開(kāi)始控制命令，下位機輪詢(xún)每塊板子的控制命令字，板子開(kāi)始工作后，將工作需要的加熱電流和測量電流以及程控電壓等通過(guò)串行數據傳輸模塊下發(fā)到驅動(dòng)板，通過(guò)驅動(dòng)板加載到相應的老化板上，給器件加熱，記錄此時(shí)的時(shí)間，即為加熱開(kāi)始時(shí)刻，當前時(shí)刻與加熱開(kāi)始時(shí)刻之差大于等于開(kāi)時(shí)間的時(shí)候，停止加熱，打開(kāi)風(fēng)扇，記錄加熱結束時(shí)刻，開(kāi)始AD采集，根據采集的電流和電壓計算出結溫，將數值傳回上位機，上位機根據溫度變化繪出一條曲線(xiàn)。當前時(shí)刻與加熱結束時(shí)刻之差大于等于關(guān)時(shí)間時(shí)，冷卻完成并結束測量，進(jìn)入下一次循環(huán)，循環(huán)次數到達后，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

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到1‰，同時(shí)，4μs的轉換時(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轉換為16路的差分輸入，采集時(shí)每次每個(gè)通道連續取8個(gè)數值求均值為本次采集的結果，同時(shí)配合老化板中采用的高速開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，保證了采集數據的精度要求。下圖是在設定的10 mA的測量電流和12 V的程控電壓，通過(guò)LabVIEW顯示出當前NMOS管(型號為IRFP460)的結電壓和當前時(shí)刻測量得到的管子結溫，室溫通過(guò)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(lái)的16通道的值都在小數點(diǎn)三位后開(kāi)始波動(dòng)，保證了計算得到的△Vf的值在小數點(diǎn)后二位開(kāi)始波動(dòng)。

系統在加熱狀態(tài)切入到測量狀態(tài)后20μs內可完成所有工位結電壓的采集，為達到快速采集要求，編寫(xiě)程序時(shí)候，考慮到ADC高實(shí)時(shí)性問(wèn)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(xiě)FPGA程序時(shí)，將ADC采集配置(即開(kāi)關(guān)的切換命令執行)和采集數據放到順序結構的相鄰的兩幀之間，考慮到開(kāi)關(guān)切換時(shí)間，中間加1μs的等待，保證數據的可靠性，然后開(kāi)始數據采集，ADC采集部分程序如圖6所示。

2)差分數據傳輸

此模塊實(shí)現sbRIO-9612與FPGA之間的通信，通信方式為總線(xiàn)異步訪(fǎng)問(wèn)的方式，通過(guò)串行DAC方式收發(fā)數據，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，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)，低兩位為驅動(dòng)板寄存器地址;然后將數據放到數據總線(xiàn)上，數據格式為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(xiě)數據;同理，讀數據時(shí)先設置地址總線(xiàn)，WR/RD置低，DR置低，保持兩個(gè)時(shí)鐘周期，在兩個(gè)周期內完成數據的讀取，DR置高，完成串行DAC讀數據。整個(gè)通信模塊按照通信協(xié)議，實(shí)現了SbRIO-9612對FPGA的控制。

4 實(shí)驗結果

在環(huán)境溫度為25℃，溫升為80℃，加熱恒流源設置為50 mA，恒壓源設置為5 V，開(kāi)時(shí)間設置為2 300 s，關(guān)時(shí)間設置為7700 s，定時(shí)模式下，每隔50 ms采樣得到結溫圖，如圖9，結束時(shí)刻溫度由于周?chē)鷾囟壬?，基本很難達到初始的25℃，但是在溫度降低到了誤差允許范圍內。圖中，紅線(xiàn)由NMOS管背部貼的傳感器測量得出的溫度變化數據繪出，黑線(xiàn)由采集回來(lái)的數據通過(guò)結溫計算公式計算出的數據描繪出來(lái)的，對比下，傳感器測出數據的變化趨勢和計算結果數據變化保持一致，這就說(shuō)明了測量結果準確。

5 結束語(yǔ)

文中介紹了一個(gè)在SbRIO-9612上，用LabVIEW實(shí)現控制一個(gè)老化測試系統工作，該系統達到了預訂采集數據精度和分辨率，滿(mǎn)足了快速采集和快速控制等要求，在實(shí)際應用中，達到了很好的效果，具有很高的實(shí)用價(jià)值。