在电路验证过程中,大多数公司都有一套相对比较成熟的测试方案。例如,依靠温箱中的高温、低温测试来暴露潜在的问题,等等。
这是一种暴露问题的方式,但 仅仅依靠测试是不够的 。原因在于,由于参数的随机分布,用于测试的样本电路板无法完全代表将来规模生产的大批量电路板。所以,仅仅依靠测试,无法暴露将来大批量生产电路板的所有潜在故障。
这一点,和不能通过抽样10个学生的考试分数来代表整个学校考试成绩,是同样的道理。虽然抽样值可以在一定程度上代表研究对象的特征,但希望仅此就能获得研究对象的所有特性,是不可能的。
研发测试侧重于给被测设备加足够应力,以达到尽早暴露产品隐患的目的。但由于研发测试时抽样电路板数目有限,无法覆盖到参数分布极限值的情况,所以指望研发测试能发现所有潜在缺陷是不现实的。 也就是说,除非在测试中特别地挑选处于最小值、最大值边界的元器件,否则,对有限数目电路板进行的研发测试,均只能认为是基于元器件典型值的验证。这种测试并不能完全揭示长时间工作中,元器件在性能、可靠性上存在的潜在隐患。
为了解决这个问题,需将测试和关键参数计算结合起来。
某设计使用ADI公司的监测控制芯片对输入电压 V IN 做欠压(Under Voltage,UV)监测和过压(Over Voltage,OV)监测。当 V IN 低于欠压门限或者高于过压门限时,通过将MOSFET关断以保护后续电路。
设计要求:正常工作时,输入电压 V IN 范围为50V±10%(即45~55V),电路板中挂在 V IN 上的负载芯片,允许电压最大极限值为65V。
设置过压门限和欠压门限的分压电路如图1.25所示。根据以上要求,设计者使用了5%精度的电阻。
图1.25 设置过压门限和欠压门限的分压电路
〖讨论〗
由于OV和UV门限的考虑方式相同,所以只以OV为例。
参考ADI公司本案例所用芯片手册中对OV门限参数的定义,如图1.26所示。
图1.26 芯片手册中对OV门限参数的定义(截图)
该参数的典型值为3.5V,最小值为3.43V,最大值为3.56V。
下面根据参数值推算本电路的过压门限。在推算过程中,需考虑芯片手册OV参数值的偏差、分压电路电阻阻值的偏差(分压电路采用了精度为5%的电阻)。为方便起见,图1.25中已经标出了各电阻阻值的最小值、典型值、最大值,在下面的过压门限值的计算中,可以直接使用。
①过压门限最小值。
取电阻阻值依次为47.4kΩ、1.15kΩ、3.32kΩ,OV门限取最小值3.43V。
相对应的过压门限最小值为3.43V/(3.32kΩ)×(47.4kΩ+1.15kΩ+3.32kΩ)=53.6V。
②过压门限典型值。
取电阻阻值依次为49.9kΩ、1.21kΩ、3.16kΩ,OV门限取典型值3.5V。
则过压门限典型值为3.5V/(3.16kΩ)×(3.16kΩ+1.21kΩ+49.9kΩ)=60V。
③过压门限最大值。
取电阻阻值依次为52.4kΩ、1.27kΩ、3.00kΩ,OV门限取最大值3.56V。
相对应的过压门限最大值为3.56V/(3.00kΩ)×(3.00kΩ+1.27kΩ+52.4kΩ)=67.2V。
经以上计算,可以求出该电路过压门限值的典型值为60V,考虑偏差后,参数值范围为53.6~67.2V。
再回顾设计要求,正常输入 V IN 范围为45~55V,在这个范围内监测电路不能触发过压保护;负载芯片耐压最大值为65V,过压保护门限应低于65V,才能实现对负载芯片的保护。
依据以上关系绘制出图1.27。
图1.27 过压监测门限范围与正常工作电压范围示意图
设计的保护电路,过压门限典型值为60V,满足以上要求。但若考虑参数值偏差,过压门限可能低至53.6V,高至67.2V,则依据图1.27,可能使电路存在两个隐患:
隐患1: 输入电压 V IN 为53.6~55V时,仍属于正常范围,但过压监测门限范围最低会到53.6V,所以,在该正常的输入电压范围内却可能触发过压保护,MOSFET断开,负载断电。这种情况属于误报过压。
隐患2: 若因异常导致输入电压 V IN 高于65V,可能导致负载芯片损坏,但过压监测门限范围最高会到67.2V,所以,该异常的,甚至灾难性的电压发生时,可能无法触发过压保护。这种情况属于漏报过压,保护电路没有起到应有的保护作用。
那么,应如何设计保护电路,才能满足本案例的要求呢?
期望的情况是,将过压监测门限范围设置为55~65V,如图1.28所示。
图1.28 期望的过压监测门限范围示意图
仍使用ADI公司的该款监测控制芯片,只需要修改分压电路电阻的精度为1%,就能满足以上要求。修改后,过压监测门限范围为57.8~62.3V,计算过程不再赘述。
〖扩展〗
通过本案例可以看出,在设计中涉及门限参数值的设定时,元器件参数偏差的影响很大,不能凭感觉估计,必须根据元器件偏差进行详细计算。一个好的设计习惯是,将门限范围计算结果标在原理图上,便于原理图完成后的设计评审。
从本案例可以看出,原设计是存在隐患的,但希望通过测试来发现该隐患是很困难的。原因如上文所述,测试电路板所用元器件的参数值虽然存在偏差,但根据正态分布(假定器件参数值满足正态分布),参数值最大可能性仍然位于标称值附近,这样得到的测试电路板的过压门限大致也位于标称值60V附近,并不会触发电路异常。只有在批量生产之后,当样本数目足够多了,原设计隐患才能暴露出来。因此,仅仅依靠研发测试,很多时候无法在批量生产之前暴露产品由于参数偏差而存在的隐患。电路参数计算是研发测试的重要补充之一。