DC-DC變換器完美測試下的測試性建模案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u24267DCDC變換器完美測試下的測試性建模案例分析 1323171.1引言 114281.2DC/DC變換器工作原理分析 2256551.3基于Saber靈敏度分析的故障模式選取 3146651.3.1基于Saber的DC/DC變換器仿真分析 3149301.3.2基于靈敏度分析結果的故障模式選取 4319781.4DC/DC變換器多信號流圖模型的建立 7206641.5完美測試下的故障-測試相關性矩陣建立 111.1引言測試性建模是測試性設計的基礎，選取一種適用于被測對象的建模方法是實現測試性設計的前提。當前主流的兩種建模方法是信息流建模以及多信號流圖建模。而對于開關電源這種較為復雜的非線性電子系統(tǒng)，這兩種方法均存在缺陷，這兩種方法假定每個基本單元只對應一種故障模式，并且故障模式沿著單元的所有輸出信號的方向傳播，這種假定大大限制了該方法在開關電源測試性建模中的應用。針對這種問題，本章采用多信號流圖與開關電源電仿真相結合的方法，在假定完美測試條件下，即不考慮電源電磁干擾的影響，對開關電源進行測試性建模。本章以DC/DC變換器作為研究對象，首先分析其工作原理，在Saber仿真軟件中建立仿真模型進行電仿真。然后針對開關電源的主要性能指標進行靈敏度分析，結合各元器件的工作失效率，確定電源的關鍵元器件以及故障模式。之后，根據建模規(guī)則建立開關電源的多信號流圖模型，確定各故障模式與初選測試節(jié)點之間的相關性。然后，基于所建立的Saber仿真模型對電源的各故障模式進行蒙特卡洛仿真，獲得考慮電路中各元器件容差影響下的各測試節(jié)點信號，并根據各信號的特點提取相應的特征參數，確定各故障模式與測試參數之間的相關性。最終建立電源的故障-測試相關性矩陣，完成對開關電源的初步測試性建模，并以此分析基于理想假設條件下電源的固有測試性，獲得其完美測試條件下的測試性指標。1.2DC/DC變換器工作原理分析本課題所研究的DC/DC變換器采用PWM開關控制方式，將輸入直流100V電壓變換成可控的恒壓源供給負載，從而實現電能的變換，其結構如圖2-1所示。主電路采用推挽式電路的結構，Q2、Q3交互導通，直流輸入100V電壓，通過DC/DC降壓電路轉換為適合輸出的直流電壓，輸出電壓與參考電壓經過電壓比較調節(jié)電路比較后，輸出信號經過PWM調制電路與載波進行調制后輸出PWM信號，該信號經過變壓器驅動隔離電路后，控制Q1的開通關斷，最終實現輸出電壓穩(wěn)定。圖2-1電源拓撲結構該電源為恒壓源，其主要技術指標為：（1）輸出功率：可大于280W；（2）輸出電壓：0~100V以上，可調節(jié)；（3）輸出電壓紋波：小于1V（峰峰值）；（4）輸出電壓穩(wěn)定度：優(yōu)于0.5%；（5）效率：≥89%（滿載輸出狀態(tài)）。針對開關電源這類板級系統(tǒng)的測試性設計，在分析其故障模式時主要關注的是電源內部元器件退化失效，從而引起電源故障。了解開關電源的工作原理后，在Saber軟件中建立電源的仿真模型，并進行靈敏度分析，獲取各元器件參數變化所導致電源主要技術指標的變化，并結合現有電源中各器件失效率的計算結果，選取開關電源的關鍵元器件，這些選中的關鍵元器件的故障模式就是電源的故障模式，分析流程如圖2-2所示。之后的研究將重點關注這些關鍵元器件的故障模式。圖2-2開關電源故障模式分析流程1.3基于Saber靈敏度分析的故障模式選取1.3.1基于Saber的DC/DC變換器仿真分析目前，針對電子系統(tǒng)的仿真建模，常用的仿真軟件有Saber、PSpice、Multisim等。其中Saber軟件具有更全面的通用模型庫，并且支持通過硬件描述語言創(chuàng)建所需要的電路或者器件模型。同時，該仿真軟件具有很強大的分析功能，包括最壞情況分析、計算所涉及的系統(tǒng)工作點的直流分析、確定系統(tǒng)時域響應的瞬態(tài)分析、分析系統(tǒng)隨頻率變化的相應特性等[69]。因此，本文選用Saber軟件進行仿真，在Saber中的仿真模型如圖2-3所示。圖2-3開關電源仿真模型對仿真模型的輸出電壓進行分析，輸出電壓的波形及紋波結果如圖2-4所示。從波形中可以看出，當參考電壓給定1.9V的條件下，輸出電壓在穩(wěn)態(tài)時的大小為100.75V，滿足電源要求，且紋波大小為0.6725V小于1V。仿真結果滿足電源要求。圖2-4輸出電壓波形1.3.2基于靈敏度分析結果的故障模式選取測試性設計的目的就是提高被測對象故障檢測和隔離能力，這就需要掌握被測對象是否經常發(fā)生故障、可能發(fā)生哪些故障、故障影響程度以及危害度大小等情況[33]。在此基礎上才能有針對性地對測試性進行設計，提高測試的有效性?，F有研究表明，開關電源絕大部分的故障是其內部元器件失效所導致的。元器件的失效模式主要分為兩類：一是過應力失效，過應力失效一般是由元器件突然受到超出其承受能力范圍的過應力導致，如電阻過流損壞、功率MOSFET的柵極過電壓擊穿、功率二極管反向過電壓擊穿等。一般由于器件的功能喪失會伴隨電路出現短路或斷路等情況，通常會對電路造成嚴重的危害；二是退化失效，退化失效是元器件在工作過程中，由于電流電壓負荷、環(huán)境應力等對其造成累積損傷，當這種累計損傷達到一定程度后，系統(tǒng)的性能受到影響而導致失效。研究表明，退化失效是導致電力電子電路故障的主要原因。本課題主要關注退化失效導致的故障模式。盡管元器件的失效是導致開關電源發(fā)生故障的主要原因，但在實際工作應力條件下，并不是所有的元器件具有相同的失效率，并且各自失效對電源的影響也不相同[33]。根據現有的關于開關電源的研究指明，開關電源的故障絕大多數是源于少部分的元器件[70]。表為開關電源部分元器件失效率統(tǒng)計。表2-1部分元器件失效率編號元器件類別基本失效率/10-6/h工作失效率/10-6/h1功率MOSFET0.37301.61102電阻器0.01060.25443變壓器0.02220.66604功率整流二極管0.19401.16405薄膜電容0.54311.82416電感器0.00500.0300為確定DC/DC變換器的關鍵元器件，本文基于其Saber仿真模型進行靈敏度分析，得到電源電路中各元器件參數值的變化對開關電源主要性能指標的影響程度的排序。針對于電源的某個性能指標，若元器件的靈敏度高，就意味著該元器件參數的變化會對該性能指標造成相對較大的影響。根據靈敏度分析結果，結合元器件的工作失效率，便可以確定DC/DC變換器的關鍵元器件。靈敏度是指各元器件的參數值與標稱值間的偏差所引起系統(tǒng)輸出特性偏移的程度，它可以用來量化電路特性對電路內各元器件參數的敏感程度。目前靈敏度的定義主要有兩種常用的表達形式，一是絕對靈敏度，絕對靈敏度是指電路的某一種性能參數對某個元器件參數值的變化率。假設是電路的某一種性能參數，是電路中某個元器件的參數值，則絕對靈敏度的數學表達式如下： (2-1)二是相對靈敏度，相對靈敏度是性能參數P的相對變化與元器件參數x的相對變化的比值，其數學表達式如下： (2-2)由數學表達式可以知道相對靈敏度沒有量綱，它也可以表示為電路中元器件參數每變化1%所引發(fā)電路性能參數的變化量[71]?？紤]到在實際電路中，元器件自身存在容差,容差的存在也對電源各性能指標存在影響，所以本文選用相對靈敏度進行分析。若越高則表明該元器件參數的相對變化所引起電源性能參數的相對變化越大。也就是說，值越高的元器件對電源特性產生的影響越大，該元器件的失效更容易導致開關電源的失效[72]。對于本課題所研究的開關電源，其主要技術指標有電壓穩(wěn)定度、紋波、效率，針對以上三種指標，分析各元器件的相對靈敏度，結果如圖2-5所示。(a)電壓穩(wěn)定度相對靈敏度分析結果(b)紋波相對靈敏度分析結果(c)效率相對靈敏度分析結果圖2-5靈敏度分析結果根據以上分析，結合器件失效率及靈敏度分析結果，確定了6類關鍵元器件共9種故障模式。為充分考慮到開關電源測試過程中普遍存在的系統(tǒng)容差題，同時將其他元器件參數值的變化作為系統(tǒng)的容差注入項。表2-2故障模式列表故障代碼故障器件故障模式故障代碼故障器件故障模式F0-無故障F5MOSFET閾值電壓增大F1R37阻值增大F6二極管V43正向壓降增大F2C6容值減小F7運放N5共模抑制比減小F3C6ESR增大F8運放N5開環(huán)增益減小F4MOSFET導通電阻增大F9變壓器漏感增大1.4DC/DC變換器多信號流圖模型的建立由于現有測試性建模方法均不適用于開關電源這種復雜的電子系統(tǒng)，在假定完美測試條件下，本文提出采用多信號流圖結合Saber仿真分析的方法進行初步測試性建模。首先根據建模規(guī)則，分析開關電源的各部分功能，根據電源的功能劃分模塊，選取各模塊的輸入和輸出節(jié)點作為初選測試節(jié)點集，對于單個模塊而言，通過對其輸入輸出信號進行分析，可以得到該模塊的工作狀態(tài)（正常工作或有元器件發(fā)生故障），是一種有效便捷的方法，根據故障信號流動方向建立其多信號流圖模型。然后，基于Saber仿真模型，按照本文所要研究的9種故障模式對開關電源進行故障注入仿真。在考慮電源中所有元器件的容差影響下，針對每種故障模式分別進行100次蒙特卡洛仿真，分析各測試節(jié)點信號參數的變化情況，獲得各故障影響的測試參數集。最后，基于以上的研究，構建開關電源完美測試下的故障-測試相關性矩陣，完成初步測試性建模，并對固有測試性進行分析，得到測試性的各種指標。研究的具體流程如圖2-6所示。圖2-6開關電源測試性建模的研究方案多信號流圖模型是一種簡單直觀、條理清晰的建模方法，能夠準確描述系統(tǒng)中的功能（故障）與模塊的相關性，具有良好的建模效率[73]。該模型由節(jié)點和有向邊組成，其中節(jié)點指的是被測對象的模塊以及測試節(jié)點，有向邊則用來連接被測對象的兩個模塊或者模塊與測試節(jié)點。有向邊的方向則表示故障在各模塊之間的傳播方向以及測試信息的流動方向，并且這種方向關系是確定的不可逆轉，以下是模型的主要組成元素[74]：（1）系統(tǒng)故障組件(可能發(fā)生故障的模塊)的有限集合；（2）系統(tǒng)可用的測試點的有限集合；（3）系統(tǒng)可用的測試的有限集合;（4）每個測試節(jié)點對應的測試集;（5）每個模塊影響的信號集合。DC/DC變換器的多信號流圖建模主要有以下4個步驟：步驟1：對DC/DC變換器的結構和功能進行分析，根據功能的不同完成系統(tǒng)結構的劃分，得到電源的組成模塊及其功能信號，確定能夠添加測試的測試點位置、能夠采用的測試及其測試信號等信息；步驟2：分析電源中各模塊的故障特性，并確定與電源各故障相關的測試節(jié)點；步驟3：按照分析得到故障組件的模塊、測試的特性，進行相關信號的設置；步驟4：根據DC/DC變換器的實際運行情況，對電源的模型進行適當的調整及校正，并進行有效性驗證。為建立電源的多信號流圖模型，按照以上的步驟，首先需要對電源的結構進行劃分，掌握各部分電路的功能特點，圖2-7是DC/DC變換器的實際電路圖，紅線標識部分為關鍵元器件。圖2-7關鍵器件布局圖2-8所示即為開關電源系統(tǒng)的結構框圖，其中C1-C6為存在關鍵元器件或在系統(tǒng)中承擔重要作用的功能模塊。圖2-8開關電源的結構框圖在劃分電源的結構后，根據建模步驟2可知，需要對電路中的測試節(jié)點進行篩選。對于本文所要研究的開關電源，其電路結構復雜，電路節(jié)點眾多，但并非每個測試節(jié)點都是可測的。如果只選取各個關鍵模塊的輸出節(jié)點作為測試節(jié)點，則不能全面分析關鍵模塊的故障原因，從而嚴重影響故障檢測與隔離的準確性。但初期選取過多的測試節(jié)點，將會導致后期測試及優(yōu)化的工作量大幅增加，并且電路中的一些可測節(jié)點是冗余的，因此測試節(jié)點并不是越多越好。對于單個電路模塊而言，判斷其是否處于故障狀態(tài)，最直接、簡便的方法就是對該模塊的輸入及輸出信號進行分析，所以本文將開關電源各個模塊的輸入及輸出節(jié)點定為初選的測試節(jié)點，如圖2-9所示。圖2-9初選測試點示意圖其次，需要確定與系統(tǒng)故障相關的測試節(jié)點。基于多信號流圖的建模方法認為故障模式沿著單元的所有輸出信號流方向進行傳遞。按照該分析方法，了解開關電源處于各種故障模式下，故障信息的傳播途徑。也就是了解任意組成部件的故障對相鄰模塊造成的影響以及受其影響的測試集。將所有的信息整合，構建的開關電源的多信號流圖模型如圖2-10所示。圖2-10開關電源多信號流圖模型1.5完美測試下的故障-測試相關性矩陣建立為了進一步分析每種故障模式所影響的測試節(jié)點中的測試參數集，針對表2-2所示的各種故障模式，對開關電源進行故障注入仿真。根據各故障模式下各關鍵元器件的標稱值及容差，設計了表2-3所示的故障注入仿真試驗列表。針對每種故障進行100次的蒙特卡洛仿真，并按照實際電路中所有元器件參數的精度設置各自的容差范圍。設置仿真時間為15ms，步長為10ns，仿真得到各測試節(jié)點的電壓電流信號。表2-3故障注入仿真試驗列表故障代碼故障器件故障模式標稱值容差故障值F0-無故障F1阻值增大3kΩ5%3.3kΩF2容值增大5.6μF10%3μFF3esr增大0.2Ω-0.5ΩF4MOSFET導通電阻增大8mΩ-40mΩF5MOSFET閾值電壓增大1.5V-6VF6二極管正向壓降增大1.98V-5VF7運放共模抑制比減小70dB-40dBF8運放開環(huán)增益減小100dB-50dBF9變壓器漏感增大1μH-20μH對于電源的各測試節(jié)點信號的參數選取，依據仿真結果分析其特點來得到，其中測試點、、、、的信號具有周期性，需要對其信號頻率進行測量，各測試節(jié)點所需要提取的測試參數如表2-4所示。其中、、、、、是相應測試節(jié)點的電壓平均值，、、、、是相應測試節(jié)點信號的頻率，是輸出電壓的紋波值，、、、、是相應測試節(jié)點電壓最大值，、、、、是相應測試節(jié)點電壓最小值，、為相應測試節(jié)點信號幅度，為MOSFET驅動電壓的占空比。表2-4各測試節(jié)點需提取的測試參數測試節(jié)點測試參數測試節(jié)點測試參數、、、、、、、、、、、、、、、結合開關電源的多信號流圖模型中各故障的傳播路徑，逐一對比相關測試節(jié)點中測試參數的變化情況，以確定與各故障相關的測試參數。以開關電源發(fā)生故障F1為例，與之相關的測試參數值與無故障狀態(tài)時的對比如圖2-11所示。電壓(V)電壓(V)(a)故障F1對的影響(b)故障F1對的影響電壓(V)電壓(V)(c)故障F1對的影響(d)故障F1對的影響電壓(V)電壓(V)(e)故障F1對的影響(f)故障F1對的影響占空比(g)故障F1對的影響圖2-11故障F1對部分測試參數的影響情況以某一測試特征為例，其在無故障及故障狀態(tài)下的分布情況如圖2-12所示。無故障及故障狀態(tài)下的樣本數量均為100個，其中上下兩條黑色短線分別為100個樣本構成分布的97.5%和1.5%分位數，矩形的上下邊沿分別為樣本分布的75%和25%分位數，中間紅色短線為樣本分布的中位數，紅色的點代表著離群樣本點。取無故障狀態(tài)F0樣本分布的1.5%~97.5%區(qū)間為無故障區(qū)間，規(guī)定在某故障狀態(tài)下該測試特征超過無故障區(qū)間就認為此特征響應該故障，即故障可以被該特征檢測到。由此可得，圖2-12中得測試特征可以檢測故障F1、F8、F9。圖2-12不同狀態(tài)下某特征分布情況按照此種方法，最終獲得的與各故障相關測試參數集，如表2-5所示。表2-5與各故障相關的測試參數故障代碼故障器件故障模式相關測試參數F0-無故障-F1阻值增大、、、、、、、F2容值減小、、、F3esr增大F4MOSFET導通電阻增大、、、、、、F5MOSFET閾值電壓增大、、、、F6二極管正向壓降增大、、、F7運放共模抑制比減小、、、、、、、F8運放開環(huán)增益減小、、、、、、、F9變壓器漏感增大、、、、、、、、、其中，故障F7和故障F8所影響的測試參數集相同，僅根據兩種故障影響的參數類別不能有效的將兩種故障區(qū)分開來。為了將兩故障有效隔離，需要分析兩種故障對各測試參數的影響方式或趨勢，通過分析測試參數可知故障F7和故障F8對測試參數大小的影響相反，其中對于測試參數、、、、，F7會導致測試參數的值較無故障狀態(tài)下的值增大，而F8會導致參數值減小，具體的仿真結果如圖2-12所示。也就是說該測試與故障的相關性與測量值的取值區(qū)間有關，測量值區(qū)間的劃分決定了相關性，因此，針對這一測試劃分了兩個取值區(qū)間，這樣便可將故障F7和F8區(qū)分開。電壓(V)電壓(V)(a)故障F7和F8對測試參數的影響(b)故障F7和F8對測試參數的影響電壓(V)電壓(V)(c)故障F7和F8對測試參數的影響(d)故障F7和F8對測試參數的影響電壓(V)(e)故障F7和F8對測試參數的影響圖2-12故障F7和F8對測試參數的影響在確定了各故障模式所影響的測試參數集后，便可建立完美測試條件下DC/DC變換器的故障-測試相關性矩陣。其中完美測試條件下就是不考慮DC/DC變換器內部傳導EMI等影響的情況下。而所謂的故障-測試相關性矩陣是測試性建模的數學表達式，它用布爾矩陣來描述被測對象的故障與測試之間的相關關系，其具體形式如下： (2-3)式中，矩陣元素是一個布爾變量，如果故障能被測試檢測到，則令；否則令。矩陣第i行的行向量表述了故障發(fā)生時所有測試的輸出，可以看作是故障的征兆；矩陣第j列的列向量描述了測試可以檢測到的所有故障，可反映測試對所有故障的檢測能力。由相關性矩陣定義兩個集合，故障征兆集和測試征兆集，分別表示故障影響的測試集以及測試所能檢測的故障集，分別記為： (2-4)根據表2-5所示的各故障影響的測試參數集，可以獲得表2-6所示的完美測試下開關電源的故障-測試相