Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 19 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Испытания на воздействие соляного тумана или циклические коррозионные испытания?

Соль является одним из наиболее распространенных химических соединений в мире. Ее можно найти в океане, атмосфере, на поверхности земли, а также в реках и озерах. На все окружающие нас вещи соль оказывает, как правило, пагубное воздействие, которое сокращает срок эксплуатации изделий. Поэтому проведение испытаний на коррозионную стойкость для многих отраслей производства являются предпочтительным, а для некоторых отраслей – необходимым. Главная цель статьи – рассмотреть два распространенных типа испытаний на коррозионную стойкость и разъяснить фундаментальные различия между ними.

Методика достижения запланированного качества и надежности

Запланированный уровень качества и надёжности выпускаемой продукции является величиной расчётной и определяется максимально допустимой стоимостью ремонтов, которые предполагается провести в гарантийный период в зависимости от требований потребителя, условий эксплуатации выпускаемой продукции и собственно стратегии их проведения.

Аппаратное обеспечение системы onTAP фирмы Flynn Systems

В двенадцатой статье цикла «Основы технологии граничного сканирования и тестопригодного проектирования» предлагается обзор аппаратных средств системы onTAP фирмы Flynn Systems, предназначенных для сопряжения с JTAG-тестируемыми ПП и узлами.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

11 июля

Экономичный и точный метод ICT-тестирования схем с широтно-импульсной модуляцией сигналов, имеющих ограниченный тестовый доступ

В статье описана методика тестирования схем с широтно-импульсной модуляцией сигналов, предполагающая вместо традиционных ICT-методов использование недавно разработанного одиночного сенсорного щупа с высоким импедансом. Этот метод позволяет обеспечить высокую точность тестирования при значительном сокращении числа контактных площадок на плате и количества иголок адаптера ICT.



В

ведение

Внутрисхемное тестирование (In-circuit Test, ICT) широко используется в производстве электроники для поиска дефектов монтажа печатных плат (ПП). Традиционно для этой цели применяются тестеры ICT с игольчатыми адаптерами, использующие контактные площадки на ПП для обнаружения коротких замыканий, обрывов, а также измерения емкостных, резистивных и других характеристик. По мере возрастания плотности монтажа ПП и уменьшения как их размеров, так и размеров компонентов, доступ к контактным площадкам на поверхности ПП становится все более затруденным из-за простого недостатка места, а иногда и вообще невозможным, поскольку контакт иголки с площадкой может привести к повреждению ПП.
Системные компьютерные платы последних поколений характеризуются наличием на них мощных микропроцессоров. При подаче питания к этим микропроцессорам через однофазную схему с широтно-импульсной модуляцией сигналов (ШИМ) выделяется слишком много тепла, что может привести к отказу других компонентов на плате, поэтому разработчиками схем в настоящее время широко используются многофазные цепи с ШИМ.
В статье описан измерительный тестовый зонд нового типа, предназначенный для схем с ШИМ, имеющих полевые МОП-транзисторы (ПMT, MOSFET) и элементы индуктивности. Преимущества нового зонда состоят в том, что, во-первых, традиционные зонды могут вносить ошибки в схемы ШИМ, и, во-вторых, новый зонд устраняет необходимость применения традиционных контактных площадок на ПП.

ШИМ-регулятор напряжения

В схемах преобразования напряжения обычно используются регуляторы двух типов: линейные и ступенчатые. Применение ступенчатых источников питания обычно обеспечивает требуемые величины токов для центрального процессора и других компонентов на системной плате. К преимуществам таких источников относятся высокая эффективность переключений, небольшие размеры, незначительные потери в режиме холостого хода, и так далее.
ШИМ-регуляторы переключают напряжения на нагрузку с определенным рабочим циклом и стабилизируют выходные уровени напряжения. Обычно шум переключения фильтруется с помощью индуктивностей и конденсаторов. Для получения высокочастотного напряжения с ШИМ на системных платах обычно используются полупроводниковые переключатели. Идеальный переключатель такого рода, как известно, имеет нулевую мощность рассеивания. Для приближения характеристик таких аналоговых полупроводниковых переключателей к идеальным необходимо прилагать высокие напряжения для управления затворами ПМТ, что позволяет достичь высокой эффективности переключений [1].
ШИМ-регуляторы напряжения способны обеспечивать процессоры значительными токами. Получение больших токов достигается за счет применения многофазных структур регуляторов, обеспечивающих уровни токов, превышающие 100 A [2]. Применение параллельных переключателей на ПМТ обеспечивает заметное приближение характеристик таких переключателей к идеальным [3].

Проблемы тестирования устройств с ШИМ-регуляторами напряжения

Мультифазные системы источников питания, как правило, содержат множество узлов распределения напряжений, и по ряду причин такие схемы трудно тестировать традиционными методами внутрисхемного тестирования (ICT).

Неисправность фазы

Мультифазные переключатели напряжения (см. рис. 1) обладают рядом преимуществ и, в частности, характеризуются пониженными пульсациями выходного напряжения и входного тока. Такие переключатели, как правило, применяются для питания процессоров с высокой производительностью. Обычные мультифазные переключатели напряжения позволяют контролировать токи в отдельных фазах с целью обеспечения автоматического регулирования рабочего цикла для поддержания сбалансированных токов в цепях преобразования постоянных напряжений. Вполне возможна ситуация, в которой одна из фаз в такой мультифазной системе может отказать при одновременной подаче питания по другим фазам. Подобная неисправность может сорвать весь процесс тестирования при производстве ПП, и привести к последствиям, катастрофическим для тестируемой ПП, поскольку исправные фазы будут пытаться скомпенсировать неисправность одной из них. Тестовое решение для такой ситуации описано в [2].

 

Рис. 1. Блок-схема ШИМ-регулятора напряжения

Параллельные ПМТ

Значения номинальных токов известных типов ПМТ таковы, что для большинства ШИМ-регуляторов применения одного ПМТ недостаточно. Часто в схеме переключения требуется задействовать два и более параллельных ПМТ. Следует иметь в виду, что неисправность в одном из них приводит к разбалансу фаз и к появлению проблем с надежностью схемы в целом [3].

Чувствительность цепей

Ввиду высокой чувствительности схем ШИМ, любые шумы или небольшие емкостные или индуктивные изменения на входах могут привести к сдвигам выходных напряжений. В процессе ICT-тестирования применяются контактные иголки, провода, кабели и множество переключателей. Каждый из этих компонентов представляет собой емкостную, индуктивную или резистивную нагрузку, влияющую на функциональные параметры схемы. Подобным влиянием можно пренебречь при ICT-тестировании аналоговых или цифровых частей ПП, однако оно может стать критичным при тестировании схем с ШИМ, что представляет собой заметный методологический недостаток тестирования ICT. Несмотря на то, что ICT-тестирование какой-либо из ПП может оказаться устойчивым и без изоляции всех контактных иголок в чувствительных цепях, определенный риск все равно существует. Различные провода, кабели и переключатели могут иметь различные емкости и\или индуктивности, что непременно приведет к нестабильности теста или к сбоям в функционировании схемы ШИМ. Нестабильность цепей питания влечет за собой нестабильность результатов теста, а это, в свою очередь, приводит к материальным и временным затратам на повторное тестирование. Это увеличивает поток ложных отказов и ненужных ремонтов, а также приводит к избыточным затратам времени и компонентов.

Результат тестирования критической цепи с помощью контактного зонда

На рисунках 2 и 3 приведены осциллограммы двух сигналов: верхняя представляет собой форму напряжения на вентиле верхнего плеча (high-side gate), до контакта с тестовым зондом, а нижняя — тот же сигнал при наличии контакта с зондом.

 

Рис. 2. На верхней осциллограмме приведены характеристики исходного сигнала. На нижней показаны искажения напряжения выходного сигнала, вызванные присутствием тестового зонда

 

Рис. 3. Две осциллограммы, иллюстрирующие наличие шума, вносимого тестовым зондом

Обращает на себя внимание значительная разница в форме сигналов выходного напряжения. Нижний сигнал имеет гораздо большие пульсации, нежели исходный, и за исключением этой разницы сигналы не имеют других очевидных различий. Шум является нежелательным побочным эффектом, который приводит к нестабильности тестов, и, в конечном итоге, к возрастанию числа повторных тестов.
Существуют также и другие проблемы, связанные с ШИМ-регуляторами напряжения. Например, если происходит выброс напряжения в цепи вентиля ПМТ верхнего плеча, он вызывает выброс сигнала драйвера (см. рис. 4). Проблему такого типа затруднительно обнаружить при стандартном внутрисхемном тестировании ICT. Причиной подобного поведения может быть либо ПМТ, либо драйвер управляющей микросхемы (ИС). В таком случае требуется проводить дополнительный цикл тестов надежности и совместимости для определения точной причины наблюдаемой реакции схемы.

 

Рис. 4. На верхней осциллограмме приведен нормальный сигнал драйвера вентиля верхнего плеча, а на нижней виден выброс сигнала

Традиционные методы тестирования

Существует ряд традиционных методов тестирования ПМТ на тестерах ICT.

Методика емкостного ICT-тестирования незапитанных ПП

В этом методе используется контактная иголка для посылки сигнала на фиксированной частоте, который затем измеряется тестером ICT. Такой подход предполагает наличие полного контактного доступа иголок ICT.

Тестирование встроенных диодов [4]

Этот метод предполагает подачу некоторого постоянного тока и измерение падение напряжения на встроенном диоде ПМТ, как это показано на рисунке 5.

 

Рис. 5. Схема тестирования диода ПМТ


Тест собственно ПМТ [4]

Измерение проводимости включенного ПМТ (RES-ON). На затвор ПМТ подается пороговое напряжение; величина проводимости канала «исток — сток» предполагается очень небольшой. Такое тестирование подходит для одиночных ПМТ, но если в цепи имеются два транзистора, включенных параллельно, этот метод может быть проблематичным (см. рис. 6). Если один из ПМТ имеет неисправность типа обрыв, а другой исправен, то после подачи на затвор порогового напряжения величина проводимости канала «исток — сток» по-прежнему останется небольшой. Таким образом, правый исправный транзистор маскирует наличие неисправности в левом транзисторе.

 

Рис. 6. Два ПМТ включенных параллельно. Левый ПМТ имеет неисправность типа обрыв, который сложно обнаружить

Тестирование аналоговой части запитанной ПП

При таком подходе на тестируемую ПП подается питание и замеряется выходное напряжение.

Технология тестирования

Если ШИМ-регулятор напряжения функционирует нормально, то управляющая ИС обеспечивает высокое напряжение для управления как верхним, так и нижним плечами вентиля ПМТ. Это напряжение намного выше по уровню, чем прочие сигналы, поэтому для измерения применяется специальный зонд, выполненный из диэлектрического материала с высоким импедансом, который используется при изготовления корпусов электронных компонентов, масок для ПП и т.д. [5]. На рис. 7 показана схема подключения тестовых зондов, а на рис. 8 — некоторые примеры применения зондов.

 

Рис. 7. Схема подключения тестовых зондов

 

Рис. 8. На верхнем снимке приведены два образца измерительных зондов-иголок ICT. На среднем снимке — простой измерительный экранированный зонд, применяемый для измерения сигналов ПМТ. На нижнем снимке показан измерительный зонд на печатном проводнике, контактные площадки при этом отсутствуют

Зонд для измерений напряжения переменного тока

Поскольку на каждом из контактов ПМТ напряжение более высокое (24  В), чем обычные логические уровни сигнала (например, 5 В в ТТЛ-схемах, 3,3 В, 1,8 В и т.д.), удобнее всего фиксировать наличие сигналов переменного тока с помощью высокоомного диэлектрика. Существует множество типов измерительных зондов, но все они состоят из проводника с покрытием из диэлектрического материала. Сигнал передается обратно посредством проводящего кабеля. Поскольку в схемах ШИМ используются сигналы с частотой от 200 кГц до 1 МГц, то в качестве проводника обычно применяют высокоомные коаксиальные кабели. Речь, как правило, идет о простом и недорогом пассивном измерительном зонде, не имеющем усилителя и не требующем дополнительного источника тока, размеры которого могут варьироваться.

Моделирование схемы с ШИМ

Вначале необходимо определить обнаружимое отличие между проявлением обрыва и какой-либо другой неисправностью в ПМТ. В качестве контроллера ПМТ использован пакет моделирования iSimPE 5.2 вместе с ИС ISL6312 для моделирования трехфазного ШИМ-переключателя питания [6]. На рисунке 9 представлены осциллограммы сигналов на вентилях верхнего и нижнего плеча ПМТ.
Как можно видеть из результатов моделирования, существуют значительные отличия между нормальной и неисправной работой транзистора, так что для обнаружения неисправности необходимо применение зонда в некоторых узлах схемы. Вместо непосредственного зондирования узлов схемы можно использовать косвенные методы, как, например, измерение сигнала в узле через защитное лаковое покрытие, или как измерение суммы двух или трех сигналов через корпус компонента. Понятно, что как лаковое покрытие, так и корпус компонента представляют собой высокоомный диэлектрик.

 

Рис. 9. Результаты моделирования ШИМ-регулятора. Вверху показаны сигналы при нормальном функционировании, а внизу — при обрыве в цепи вентиля верхнего плеча

При моделировании в SPICE использовалась простая эквивалентная схема (см. рис. 10), а суммарный сигнал измерялся на панели сенсора. Все, что было нужно — это разработать схему усилителя сигнала на высокоомном выходе. Необходимо было также принять во внимание все этапы распространения сигнала от источника к приемнику, включающие иголку ICT, кабель, разъем и операционный усилитель.
При нормальном функционировании регулятора напряжения каждому контакту соответствует некоторый уровень сигнала. Эти сигналы меняются при возникновении той или иной неисправности регулятора, так что различные неисправности обуславливают различные формы сигнала в каждой цепи. При тестировании ШИМ-регулятора измерение сигналов выполняется через корпус компоненты.

 

Рис. 10. Результаты моделирования в SPICE. Вверху — осциллограмма нормального функционирования, а внизу — форма сигнала при обрыве в цепи вентиля верхнего плеча

Возможные проблемы

Процесс измерений через высокоомный корпус компоненты более сложен, чем обычное измерение. Существует множество методик, используемых для улучшения качества измеряемого таким образом сигнала. Одна из них заключается в том, чтобы снизить сопротивление между проводником, по которому распространяется сигнал, и зондом. Используя проводящую плату с большей площадью, можно уменьшить импеданс и, таким образом, поднять уровень измеряемого сигнала. Необходимо также экранировать измеряемый сигнал от внешних шумов, для чего рекомендуется использовать экранированные зонд и кабель.
Сенсор размещается в фиксированном положении в непосредственной близости к поверхности электронного компонента. При подаче питания на ШИМ-регулятор сигнал передается через характеристическое сопротивление между сенсором и электронным компонентом, которое может быть емкостным, резистивным или той или иной их комбинацией. Такой тест обнаруживает наличие неисправности, однако не указывает на ее реальное местоположение — неисправный компонент или его контакт.

Постановка эксперимента и его результаты

Аппаратная структура эксперимента (рис. 11) включала в себя, по крайней мере, одну системную плату ПК, имеющую несколько ШИМ-регуляторов, а также следующие составляющие:
– цепь подачи сигнала;
– плоскую плату: большая площадь платы увеличивает развязывающую емкость и уменьшает входной импеданс, что позволяет увеличить уровень сигнала;
– зонд: для защиты от внешних шумов рекомендуется использовать экранированный зонд;
– кабель: по той же причине рекомендуется использовать экранированный кабель;
– разъем: необходим разъем с изолированным контактом земли;
– операционный усилитель: широкополосный с высокой скоростью нарастания выходного напряжения;
– детектор, фиксирующий разброс амплитуд сигнала (peak-to-peak), среднеквадратичное (RMS) значение, частоту, маски и так далее.

 

Рис. 11. Блок-схема эксперимента

Эксперимент №1 (измерение формы сигнала ПМТ на системной плате)

Описанная методика использовалась для измерений выходного сигнала ПМТ, результаты измерений показаны на рисунке 12.

 

Рис. 12. Вверху приведена форма сигнала ПМТ, полученная с помощью описанной методики, а внизу — результат зондирования проводника

Эксперимент №2 (измерение формы сигнала ПМТ на системной плате)

Описанная методика использовалась для измерения формы сигналов в трех цепях ПМТ при суммировании сигналов (рис. 13).

 

Рис. 13. Результат эксперимента №2. Сенсор, размещенный на корпусе ПМТ, обеспечивает получение суммарной выходной реакции

Эксперимент №3 (неисправность системной платы)

Описанная методика использовалась для измерений в трехфазной схеме ШИМ в исправной и неисправной платах. Измеренный уровень сигнала в компонентах Q17VR, Q18VR и Q19VR на неисправной плате (обрыв стока верхнего плеча в Q17VR) намного выше, чем на исправной плате. Результаты эксперимента приведены на рисунках 14 и 15.

 

Рис. 14. Эксперимент №3. Хорошо видны отличия в форме сигналов на исправной и неисправной платах

 

Рис. 15. Эксперимент №3. В таблице приведены результаты измерений на неисправной плате

Эксперимент №4 (три неисправности на одной системной плате)

В трехфазную схему ШИМ-регулятора были внесены несколько различных неисправностей (обрыв стока в верхнем плече, обрыв вентиля в нижнем плече, обрыв емкости). Описанная методика использовалась для регистрации сигналов ПМТ до и после внесения неисправностей (см. рис. 16).

 

Рис. 16. Эксперимент №4. Хорошо видны последствия внесения неисправностей

Эксперимент №5 (десять системных плат)

В одну из плат была внесена неисправность типа обрыва вентиля в нижнем плече ПМТ (см. рис. 17 и 18).

 

Рис. 17. Внесение неисправности в эксперименте №5

 

Рис. 18. Эксперимент №5. Результаты измерений на девяти платах находятся в пределах допуска, тогда как результаты неисправной платы явно выходит за пределы допуска

Эксперимент №6 (другие виды неисправностей в системной плате)

Описанная методика использовалась для измерения сигнала шестифазного ШИМ-регулятора до и после того, как в его схему были внесены четыре неисправности (обрывы компонентов C1, C2, R1 и R2). Сенсоры устанавливались на Q1 и Q2 (см. схему на рисунке 19 и результаты на рисунке 20).

 

Рис. 19. На схеме показаны внесенные неисправности в эксперименте №6

 

Рис. 20. Эксперимент №6. В таблице приведены результаты измерений на плате с внесенными неисправностями

Ближайшие перспективы

В настоящее время авторами новой методики проводится сбор дополнительных данных о тестировании в условиях массового производства, включая проверки различных форм зондов и размеров сенсорных плат. Кроме того, диагностика неисправностей нуждается в доработке для получения большей точности и воспроизводимости результа-
тов.
В данной статье исследуется возможность использования нового сенсора для тестирования схем системных плат настольных компьютеров с ШИМ-регуляторами. В принципе, такого рода тестирование может быть распространено и на любую другую схемотехнику — платы серверов, ноутбуки, нетбуки, графические карты и мобильные телефоны.

Заключение

В данной статье описана новая технология тестирования, в которой используется специально разработанный измерительный зонд совместно с новой методикой тестирования. Эффективность этого подхода продемонстрирована на примере тестирования ШИМ-регулятора напряжения. Эта технология дает более достоверные результаты, нежели традиционные методы тестирования. Возможность тестирования ПП с ограниченным доступом делает актуальным применение рассмотренных подходов для ПП с высокой плотностью размещения компонентов, как в современных, так и в будущих разработках. Рассмотренные бесконтактные методы с сенсором позволяют снизить риск повреждения ПП во время тестирования. Поскольку на многих системных платах с высокой производительностью теплоотводы устанавливаются на транзисторах ПМТ-переключателей, описанная технология бесконтактного тестирования, позволяющая выполнять сенсорное зондирование самих печатных проводников ПП, оказывается чрезвычайно эффективной. Успех тестирования зависит, разумеется, и от уровня тестопригодности платы. В настоящее время предпринимается ряд усилий для повышения точности таких непрямых измерений напряжения переменного тока, а также делаются попытки распространить рассмотренную технологию для выполнения других аналоговых изме рений.

Литература

1. Angel Vladimirov Peterchev, Seth R. Sanders, “Digital Pulse-Width Modulation Control in Power Electronic Circuits: Theory and Applications”, University of California at Berkeley Technical Report No. UCB/EECS-2006-22.
2. Odile Ronat, “3-Phase Synchronous PWM Controller IC Provides an Integrated Solution for Intel VRM 9.0 Design Guidelines”, International Rectifier
3. James B. Forsythe, Member IEEE, “Paralleling Of Power ПМТs For Higher Power Output”, International Rectifier.
4. “TR5000 Analog Test Theory”, Test Research Inc.
5. “Four-Phase Buck PWM Controller with Integrated ПМТ Drivers for Intel VR10, VR11, and AMD Applications”, Intersil Corp. ISL6312 Data Sheet
6. D. A. Neamen, “Modeling of MOS Radiation and Post-Radiation Effects”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-31, No. 6, December 1984
7. R.F. Milsom, K.J. Scott, A.T. Yule and P.R. Simons, “Reduction of High Frequency Electromagnetic Field Analysis to Circuit Analysis for Modeling Coupling between Electronic Components and PCBs”, Philips Research Laboratories, April 1993
8. Spartaco Caniggia, Member, IEEE, and Francescaromana Maradei, Member, IEEE, “SPICE-Like Models for the Analysis of the Conducted and Radiated Immunity of Shielded Cables” IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Vol. 46, No. 4, November 2004.

Перевод c английского: Галит Городецкая.

 



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Альберт Йе (Albert Yeh), Джесс Чу (Jesse Chou), Макс Лин (Max Lin), Test Research Inc., Taйбей (Тайвань)



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты