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1.4.4 在替换元器件时,需考虑参数偏差的影响

在元器件选型、比较的过程中,仅仅通过横向比较两个元器件手册中的参数,是否可以确定二者的优劣呢?

回答是否定的。这是硬件电路设计的一个重要误区。

原因有以下几点:

1.元器件手册中参数的定义可能不完备

图1.29摘自某MOSFET手册,图中所列四个与时间相关的参数对MOSFET工作的影响很大,但手册只定义了典型值。如上所述,若典型值位于参数正态分布的平均位置,则在不确定标准偏差的情况下,仅凭典型值无法确定参数变化范围。况且,元器件参数的偏差也未必满足正态分布,在这种情况下,就更无法通过典型值判断参数的变化范围。

图1.29 某MOSFET手册中的参数定义(截图)

打个比方,一个班的考试成绩的平均分和每个学生的分数是两回事。两个班的平均分相同,但其中一个班的学生的分数分布于10~90,另一个班的学生的分数分布于60~80。面对这两个班,老师应采取的教学策略当然也是不同的。

电路设计的元器件选型也是相同的道理。

硬件工程师在元器件选型时,更需要关注的是参数的最小值和最大值。典型值可借鉴,但不具备标定元器件工作范围的能力。

图1.30是元器件A和B的部分参数摘录。A和B属于同一元器件厂家、同一类别的元器件,但分别属于不同的系列。参数表中的这部分参数值虽然看似很接近,但不能代表A和B的这部分特性表现相同。

图1.30 元器件A和元器件B手册中的参数摘录(截图)

2.元器件工作点的差异性,以及元器件厂商对参数保留的裕量不同

即便元器件A和元器件B参数的最大值和最小值相同,是否能代表二者可以直接相互替换呢?

回答是不一定!

前面提到,在选择元器件时,不能纯粹地依赖测试验证,而需要仔细地研究元器件参数值的偏差。那么,当我们看到两元器件A和B的参数偏差相同(即最大值和最小值相同),为什么不能基于这一点,认为二者的工作能力完全等同呢?

原因有两点:

①即使两元器件的参数最大值和最小值相同,参数值的分布方式未必相同。

例如,A和B的参数最大值、最小值完全相同,但若两个元器件厂家的制造工艺有差异,使得绝大多数A元器件的实际参数值更靠近最小值,而B元器件的实际参数值更靠近最大值,则在工程应用中,A和B的工作表现仍然会有差异。

②元器件厂商对元器件参数保留的裕量不同。

一般而言,元器件厂商在定义元器件的最大值、最小值时,会留一些裕量,在最高耐受温度、最高耐压等关键参数上尤其如此。例如,A和B在手册上定义的最高工作内核温度都是125℃,但A厂家在片内留了较大的裕量,实际上能工作到155℃,而B厂家留的裕量比较小,只能工作到135℃。当电路板温度情况比较恶劣,存在瞬间高温时,有时就会发现,A元器件运行无故障,但参数相同的B元器件,运行时就会偶发性地出现问题。

综合起来看,对元器件的选型、替代、验证,只靠抽取部分样本做电路板测试,是不够的;只靠基于元器件手册参数定义的偏差范围进行计算,也是不够的。必须将两者有效地结合起来: 在设计时,重视参数计算分析;在测试时,利用小批量被测电路板,寻找最恶劣环境进行验证。

在电子产品系统验证中,我们主要靠边界测试(Corner Test)来加速暴露产品的潜在缺陷。例如,电路板标定工作温度范围为-10~70℃,板上关键元器件工作电压允许变化范围为±5%,则对于CMOS工艺器件,在低温(-10℃)、高电压(+5%)的工作条件下,器件进入快边界(Fast Corner),在高温(70℃)、低电压(-5%)的工作条件下,器件进入慢边界(Slow Corner)。通过边界测试,可以有效地加强测试对参数偏差的覆盖面和测试效率。 ziVosJKXrDn/3soPj/ifm7MAE9gWQK+fgX5xZfhnj7vrIopmxqhgwYM0OnJbCm1T

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