雷 鑫，高 成，李 嘉，黃姣英，楊達明

(1.北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191；2.北京遙感設備研究所，北京 100854)

DC-DC 電源模塊是一種開關電源電路，它使用功率半導體功率開關組件來完成DC-DC 輸出功率轉換[1]，廣泛應用在航空航天、國防等領域，且具有功率密度高、體積小等優(yōu)點[2]，其工作狀態(tài)對整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有著舉足輕重的影響[1,3-5]。

壽命是系統(tǒng)可靠性評價中極為重要的組成部分，在新研裝備及現(xiàn)役裝備中存在著大量的壽命評估需求[6]。隨著裝備可靠性水平的不斷提高，DC-DC 電源模塊逐漸向高可靠長壽命方向發(fā)展[7-8]，相關壽命評估需求也變得越來越迫切，針對DC-DC 電源模塊進行壽命評估有著極大價值和重要意義。

DC-DC 電源模塊中包含著一定的薄弱環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)在電路中承擔著不同的任務，在薄弱環(huán)節(jié)中，電子器件引起的失效是DC-DC 電源模塊失效的主要原因，經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)容易失效且在模塊中發(fā)揮主要作用的器件有[9]：MOSFET、電容、肖特基二極管、電阻、變壓器[10]等。因此DC-DC 電源模塊主要針對內部器件開展壽命研究，通過分析具體器件以評估電源模塊的壽命有助于簡化評估工作，提高評估效率。另外，針對整體或利用其他方法對DC-DC 電源模塊進行壽命評估的研究也擁有考慮范圍廣、可探究耦合關系以及方法新穎等優(yōu)點，具有相當?shù)膮⒖純r值。本文對各薄弱環(huán)節(jié)的主要測試和壽命評估方法以及其他壽命評估方法進行了簡要介紹和總結。

1 DC-DC 電源模塊工作原理和壽命評估研究方法分類

1.1 工作原理

主電路以及負反饋控制電路結合組成了DC-DC 電源模塊的電路系統(tǒng)。其中，“濾波網(wǎng)絡+功率變換電路”等于主電路，可以完成功率變換與濾波。輸出電壓則由負反饋電路進行調節(jié)。

采樣后，補償增加級將補償輸出電壓與參考工作電壓之間的誤差。當該信號改變?yōu)槊}沖序列控制信號時，脈沖寬度需要對其進行調制。脈沖放大由驅動器實現(xiàn)，并且該信號影響功率開關器件的開與斷。

對于開關器件而言，周期內的導通占空比利用控制輸入信號表示，DC-DC 電源模塊的輸出電壓可利用控制輸入信號進行調節(jié)。DC-DC 電源模塊電路組成如圖1 所示。

圖1 DC-DC電源模塊電路組成

PWM 與PFM 是DC-DC 電源模塊通斷開關的兩種調制方式[9,11]。PWM 調制方式調節(jié)占空比的方式為開關頻率的利用[12]，其具有噪聲低的優(yōu)勢。PFM 調制方式則通過開關頻率的不同改變電源電壓。

DC-DC 電源模塊由于自身的特點和廣泛的應用場景導致內部結構復雜[13-16]，故評估其壽命的研究方法也十分豐富。

1.2 壽命評估研究方法分類

DC-DC 電源模塊在整個壽命周期中，伴隨著各種各樣的可能退化和失效，造成退化和失效的原因各不相同。復雜系統(tǒng)的壽命與內部器件的壽命息息相關，若統(tǒng)一其內部器件的壽命或者對所有器件進行壽命預測，則能追求最優(yōu)性價比，然而實際上各器件之間的壽命性能天差地別，實現(xiàn)難度極大[1]。所以主要的壽命評估方法是針對模塊中容易失效或者能影響模塊主要功能的器件進行的，即主要研究方法是針對模塊內部的薄弱環(huán)節(jié)進行壽命評估。

考慮到在模塊內部各薄弱環(huán)節(jié)可能存在耦合效應，部分器件存在分析不徹底的實際情況，針對DC-DC 電源模塊開展整體壽命評估也具有十分重要的意義。同時，利用加速壽命實驗進行壽命評估存在著時間冗長、費用昂貴等一系列問題[17]，部分研究針對這些問題提出了新穎的解決方法，采用虛擬的手段對壽命進行評估。這部分歸納于其他壽命評估方法研究中。研究方法分類如圖2 所示。

2 針對薄弱環(huán)節(jié)的壽命評估方法

2.1 鋁電解電容

鋁電解電容可用于濾波和儲能，廣泛存在于輸入輸出電路中，且在濾波電路中也是其中的重要元件[18-19]，不合要求的電流分量被濾波電容吸收，進一步濾除其紋波電壓分量[20]。圖3 是某型鋁電解電容。

圖3 某型鋁電解電容

鋁電解電容變化一般會導致電源模塊的紋波發(fā)生變化，故可選擇紋波電壓作為特征信號，其壽命可通過劣化注入法進行評估，其基本流程如圖4 所示。

圖4 劣化注入法基本流程圖

劣化注入法的主要流程如下：

(1)首先明確研究對象為鋁電解電容，根據(jù)鋁電解電容的濾波作用，選擇DC-DC 電源模塊的紋波電壓值作為特征信號，并確定失效判據(jù)。

(2)通過結合前期確定的失效判斷準則，改變鋁電解電容的等效串聯(lián)電阻和電容量，利用Saber 軟件分析對特征信號的影響。根據(jù)相關使用標準，利用工控機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建剩余壽命預測實驗系統(tǒng)[21]。

(3)使用劣化注入法觀察鋁電解電容對紋波電壓的動態(tài)影響，測試數(shù)據(jù)可用來進行剩余壽命預測。

此方法針對鋁電解電容，主要特點是可以控制鋁電解電容的劣化參數(shù)電容值和等效串聯(lián)電阻以直接觀察DC-DC 電源模塊受電容劣化的影響。

2.2 MOSFET

MOSFET 全稱為金屬-氧化物半導體場效應晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)[22]，作為開關器件在DC-DC 電源模塊中起開關作用，常用的MOSFET 類型有LDMOS 和VDMOS[23]。

(1)VDMOS

VDMOS 全稱為垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管(vertical double-diffused metal oxide semiconductor field effect transistor)，廣泛應用于小于500 W 的中低功率開關電源中[23-25]，其還具備熱穩(wěn)定性好、高頻特性好等優(yōu)點。

VDMOS 的壽命一般采用恒定電應力溫度斜坡法(CETRM，constant electrical stress and temperature ramp stress method)進行評估。CETRM 在進行時使用的電應力不變，通過序進改變溫度應力致使器件參數(shù)退化，達到加速壽命實驗的目的[26-27]。

VDMOS 的恒定電應力溫度斜坡法的主要流程為：實驗時將樣品和石棉板一起放入溫箱，連接實驗電路之后施加合適的電應力條件以保證：VDMOS 的漏源電壓不變；在不同的溫度點調節(jié)柵源電壓保證漏源電流不變[28]。

利用溫箱施加合適的初始溫度應力，升溫速率根據(jù)產(chǎn)品條件確定，每48 h 關閉溫箱電源，從溫箱中取出樣品，測量包括閾值電壓、導通電阻在內的諸多電參數(shù)，實驗共進行1 000 h。需要注意的是，在進行電參數(shù)測量時，樣品需要冷卻2 h 后再進行測試。

利用CETRM 理論模型計算樣品在正常工作情況下的壽命，過程如下：

式中：M為失效敏感參數(shù)；dM/dt為失效敏感參數(shù)退化速率；n為電流密度；m為電壓冪指數(shù)因子；Q為激活能；T為實驗結溫；t為實驗時間；A為某常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)。

模型中的激活能Q可表示為：

式中：Ti(i=1,2,3,4)為實驗結溫；ΔMj(j=1,2)為T1與T2之間、T3與T4之間敏感參數(shù)退化量。式中其余各項已知，可通過其余各項計算Q值，進一步得到：

式中：t為預測工作壽命；T0為在預測工作壽命情況下的工作結溫；β 為升溫速率；T1為初始結溫；T2為失效時結溫。

圖5 為VDMOS 壽命預測流程圖。

圖5 VDMOS壽命預測流程圖

(2)LDMOS

LDMOS 全稱為水平擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管(laterally -diffused metal-oxide semi-conductor field-effect transistor)，具有增益強、開關性能好等方面的優(yōu)點[29-30]，其壽命的預測方法與VDMOS 中提到的CETRM 法基本一致，僅在個別參數(shù)方面有所差異，在此不再贅述。

針對VDMOS 和LDMOS 兩種研究對象，上述過程以CETRM 作為研究方法，在適當?shù)碾姂l件下逐漸升高箱體溫度，同時保持部分電參數(shù)的數(shù)值大小不變以進行實驗。該方法獲得的實驗數(shù)據(jù)精確，趨勢明顯，但成本較大，實驗時間較長。

(3)熱振應力混合研究

部分學者針對熱負荷和隨機振動對DC-DC 功率升壓轉換器中金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)焊點疲勞壽命影響進行了研究[31]。研究流程如下：通過建立模型，基于有限元分析提出累積蠕變應變是熱循環(huán)焊接失效的最重要參數(shù)，最大剝離應力是隨機振動疲勞失效的主要因素，隨機振動和溫度循環(huán)都會直接影響焊料層的拐角，并且在這些位置會形成裂紋。其研究流程如圖6 所示。

圖6 熱振應力研究基本流程圖

帕爾姆格倫-邁納失效方法被用于結合隨機振動以及溫度循環(huán)兩種情況下造成的MOSFET 歸一化總損傷。其描述方法為：

式中：DRV為由隨機振動引發(fā)的損傷；DTC為由溫度循環(huán)引發(fā)的損傷；NS為機械循環(huán)次數(shù)；ni為循環(huán)次數(shù)；Nfi為焊點失效的周期數(shù)。

2.3 SBD

SBD 全稱為肖特基勢壘二極管(Shottky barrier diode)，一般作為整流器件在DC-DC 電源模塊中應用。具有導通壓降低、應用場合豐富等優(yōu)點，其箝位可在高速邏輯電路中使用[32]。

SBD 的壽命評估方法與VDMOS 一致，利用恒定電應力溫度斜坡法(CETRM)進行實驗。實驗步驟如下：實驗前確定失效敏感參數(shù)以及相關失效判據(jù)，以定量的標準明確SBD 在何時可認為失效；將高溫導線與外部實驗電路相連，樣品放置于溫箱中，升溫過程后，其穩(wěn)定工作狀態(tài)是通過電位器的調節(jié)完成的。初始溫度應力以及后續(xù)溫度梯度由溫箱供給，升溫速率根據(jù)產(chǎn)品條件確定，每48 h 從溫箱中取出測量其正反I-V 特性曲線，利用CETRM 理論模型計算出SBD的失效激活能和在正常工作情況下的壽命。預測壽命計算方法如圖7所示。

圖7 CETRM預測壽命計算方法

2.4 過渡焊接結構

過渡焊接結構在DC-DC 電源模塊中廣泛存在，它們在器件內部起到連接作用，有些關鍵部位亦需要過渡連接結構的支撐。研究人員在科芬曼森疲勞失效模型的框架下，設計溫度循環(huán)強化應力實驗以研究產(chǎn)品內過渡焊接結構開裂失效引起的問題，考察焊錫量與過渡焊接結構中焊點的壽命與可靠性之間的關系[33]。

科芬曼森公式可表述為：

式中：Δεp為塑性應變范圍；B為應變指數(shù)；A0為材料常數(shù)；Nf為疲勞焊點失效的周期數(shù)。

式(6)的修正模型為：

式中：β 為疲勞塑性指數(shù)；αsub為基片熱膨脹系數(shù)；Xdie為芯片焊接層厚度；Ldie為芯片對角線長；αdie為芯片熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫循變化；εf為疲勞塑形系數(shù)。

溫度循環(huán)強化應力實驗設計如下：確定高低溫極限溫度，一般取150 和－65 ℃；高低溫循環(huán)次數(shù)100 次起，每100 次向前步進，保溫時間為0.5 h，觀測節(jié)點設置在每100 次循環(huán)后，觀測對象為焊點的接觸點，觀測終了時間為焊點開路，觀測方法含接觸電阻測試、剖面微觀結構分析等。

2.5 瓷介電容與厚膜電阻

瓷介電容與厚膜電阻是電源模塊中最易發(fā)生失效的部位[34]。瓷介電容以陶瓷作為介質，以圓狀高介電常數(shù)為目標，其工藝不復雜，燒滲法將銀制作為電極[35-36]。金屬釕系常作為電阻漿料，利用厚膜工藝印刷而成[37]。

針對瓷介電容和厚膜電阻進行壽命預測主要是通過加速壽命實驗法[34]，基本流程如圖8 所示。

圖8 加速壽命實驗法基本流程圖

(1)對瓷介電容，選取3 批次共450 支樣品分別在額定電壓、指定溫度(85、125 和135 ℃)以及額定功耗下進行總計6 000 h 的加速壽命實驗，每1 000 h 對樣品進行測試，以元器件參數(shù)漂移10%為失效判據(jù)測試容值、耗損、絕緣電阻值，判斷樣品是否失效，收集瓷介電容的失效數(shù)據(jù)。

(2)對厚膜電阻，在3 種不同的溫度下(85、125 和135 ℃)對樣品進行加速壽命實驗，總時長為6 000 h，每1 000 h 對樣品進行測試，以元器件參數(shù)漂移10%為失效判據(jù)測試阻值，判斷樣品是否失效。

(3)根據(jù)得到的數(shù)據(jù)計算樣品的壽命信息。有如下計算方式：

式中：T′為總小時數(shù)；n′為樣品數(shù)量；t′為單個樣品小時數(shù)。有元件發(fā)生失效時：

式中：λ為失效率；r為失效樣品數(shù)。無元件發(fā)生失效時：

式中：MTBF為壽命。根據(jù)加速壽命條件下樣品的激活能，預測正常工作條件下的樣品工作壽命。

2.6 小結

本節(jié)主要針對利用器件評估DC-DC 電源模塊壽命的方法進行了分析，討論了各種方法的具體流程，這些方法大多搭建了實驗平臺，進行了不同類型的加速壽命實驗或溫度循環(huán)實驗，這些流程需要的時長可以作為研究人員選取方法的依據(jù)，總結如表1。

表1 針對器件的壽命評估方法比較

3 其他壽命評估方法

3.1 加速壽命實驗法

DC-DC 電源模塊也可以整體的形式進行壽命評估[38]。采用隨機抽樣的方式抽取同型號或相似型號的、數(shù)量不少于10 只的合格樣品，實驗條件需滿足在125 ℃殼溫、滿負載情況下進行，總時長至少達10 000 h。確定失效敏感參數(shù)為樣品的輸出電壓，并對其進行不間斷檢測；失效樣品在不影響其他樣品的情況下進行撤出，且不得替換未出現(xiàn)失效的樣品或者停止其余部分的實驗。

若無樣品失效，樣品實驗總時間T應當滿足：

式中：n為樣品個數(shù)；t為單個樣品實驗時長。此時估計MTBF的置信區(qū)間：

式中：MTBFL為平均故障間隔時間可接受的下限值；α 為給定的置信度。

若樣品失效，則實驗總時間T為：

式中：n為樣品個數(shù)；r為失效樣品數(shù)；t為未失效樣品實驗時長；ti為失效小時數(shù)。此時有：

通過實驗得到的MTBF，在雙邊置信度為1-2 α 下計算上下限因子：

式中：LF為下限因子；UF為上限因子。以上兩式分母均為卡方分布。

利用MTBF與上下限因子計算DC-DC 電源模塊在加速實驗情況下的失效時間。加速系數(shù)AT的計算公式為：

式中：τuse為正常工作條件下的使用壽命；τtest為加速情況下的使用壽命。AT還可表述為：

式中：Tuse為正常工作條件下的殼溫；k為玻爾茲曼常數(shù)；Ea為激活能。

利用上式計算DC-DC 電源模塊的激活能，根據(jù)以上公式[39-40]預測得到DC-DC 電源模塊的預測壽命。

該方法能夠比較精確地得到DC-DC 電源模塊的壽命，且針對全系統(tǒng)進行研究可以有效發(fā)現(xiàn)內部器件可能存在的相互影響的問題，隨機抽樣的方法也保證了數(shù)據(jù)的真實性。但是，全系統(tǒng)加速壽命實驗法成本過高，總實驗時間過長，對應的數(shù)據(jù)量巨大，不適用于需要快速得到壽命結論的情況。

3.2 基于分布間距的PHM 壽命評估法

有研究基于分布間距情況，利用PHM 相關方法對DCDC 電源模塊進行壽命評估，并進行了實例驗證。

PHM 技術是指利用大量的傳感器廣泛獲取設備狀態(tài)信息，然后根據(jù)故障預測結果，制定維護保養(yǎng)方案或者進行其它計算，進而提高設備運行的可靠度[41-42]。基于分布間距的PHM 評估法的主要流程如圖9 所示。

圖9 基于分布間距的PHM 壽命評估方法流程圖

電源模塊的監(jiān)測狀態(tài)與正常工作數(shù)據(jù)之間的類似程度由變異系數(shù)(CV 值)進行衡量，首先從單一敏感參數(shù)角度出發(fā)評價電源模塊健康與否。但是，由于DC-DC 電源模塊的健康狀態(tài)是由多敏感參數(shù)提供的，故利用馬氏距離，基于監(jiān)測狀態(tài)和正常狀態(tài)下馬氏距離的大小通過相似度評價樣品的健康程度。在實例驗證中，研究人員對兩款電源基于最小冗余最大相關(mRMR)的標準進行了特征的挑選，最終選擇了4 個敏感關鍵參數(shù)并進行了重要度排序。利用最重要的特征參數(shù)預測DC-DC 電源模塊的使用壽命。

該方法相較全系統(tǒng)加速壽命實驗法擁有成本低、時間短等特點，能夠衡量數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，可計算出關鍵參數(shù)進行特征選擇，數(shù)據(jù)代表性強，數(shù)據(jù)量適中。但對數(shù)據(jù)的選擇要求高，計算量大，對研究人員和實驗人員都有一定的要求。

3.3 虛擬可靠性評估法

DC-DC 電源模塊通常在特定的溫度下工作，此時施加于模塊上的應力有熱應力以及電應力，故分析時應當考慮熱電耦合的情況。虛擬可靠性評估是指針對研究對象建立模型，施加相應的應力模擬現(xiàn)實中的實驗，提取研究對象的動態(tài)數(shù)據(jù)，對研究對象在相關場景下的表現(xiàn)進行評估[16]。該方法主要針對成品進行，主要流程如下：

(1)基于FMEA、FTA 等方法對電源模塊進行可靠性分析。通過FMEA 得出對電源模塊產(chǎn)生的影響可能是由哪些不同器件的不同故障模式所引起的；通過FTA 得到造成電源模塊相關故障的最小割集；通過可靠性分析得出影響電源模塊的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)Saber 軟件建立其電路仿真模型，其熱仿真模型在確定主要熱源后利用ANSYS WORKBENCH 進行建立，電路仿真模型與熱仿真模型之間的參數(shù)傳遞利用ISight 實現(xiàn)，以上三者結合得到電源模塊電特性仿真結果以及雙應力作用下的溫度場。在仿真之后可利用實驗驗證其準確性。

(3)根據(jù)雙應力下仿真的結果，對電源模塊的薄弱環(huán)節(jié)進行虛擬可靠性評估，得出關鍵部分的預估壽命。

該方法通過建立模型，施加對應的應力條件達到對研究對象進行壽命預測的目的。該方法簡單易用、成本低廉，數(shù)據(jù)量適中，分析成本低；同樣的，該方法也存在不能完全代表實際情況、預測結果可能與現(xiàn)實情況脫節(jié)等問題。

3.4 虛擬鑒定法

針對車載DC-DC 電源模塊，有學者提出虛擬鑒定法以解決傳統(tǒng)加速實驗周期長、投入大的問題[43]。針對處于研發(fā)階段的產(chǎn)品，可以采用虛擬鑒定法進行壽命評估，其由“虛擬鑒定+加速測試驗證+虛擬鑒定”組成，主要分為以下4 個步驟：

(1)故障易感性的評估。評估產(chǎn)品在已知現(xiàn)場環(huán)境中的故障易感性，運用產(chǎn)品可能發(fā)生故障的基本模型，使用仿真來確定產(chǎn)品是否滿足預期生命周期。在仿真中，失效部位包括應力組件和損傷組件，應力組件考慮了模塊設計，損傷組件僅基于材料特性。每部分模型都關注一個可能導致系統(tǒng)故障的特定退化過程，判斷哪些部位容易受損。

(2)確定載荷。進行仿真時，指定產(chǎn)品設計體系結構和環(huán)境操作現(xiàn)場載荷，設計相關的機械應力和電氣故障參數(shù)監(jiān)控，然后對實驗車輛進行步進應力仿真實驗，以確定失效載荷和破壞載荷。

(3)加速壽命實驗。加速壽命實驗在略高于現(xiàn)場載荷的情況下進行，即該載荷在正常工作條件之上，但未到失效載荷。這種載荷不足以引起實驗樣品的完全失效。這些測試用于確認是否正確預測了故障位置、模式和機制。

(4)虛擬鑒定。目的是為確定加速實驗載荷條件下的預測壽命。確定實驗載荷下的失效時間與現(xiàn)場載荷下的失效時間之比(即加速度系數(shù))。最后，將測試中零件的失效時間分布乘以加速系數(shù)，以確定現(xiàn)場的預期失效時間分布。

該方法與虛擬可靠性評估法類似，但不同的是可以確定樣品的失效載荷和破壞載荷，判斷哪些部位容易在應力過程中受損，以及能夠比較精確地控制應力水平。同樣的，該方法可能會與現(xiàn)實情況產(chǎn)生一定程度的誤差，不能完全代表實際情況。

3.5 小結

本節(jié)主要介紹了其他評估DC-DC 電源模塊壽命的方法，這些方法在數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)計算復雜度、實驗時長、實驗成本方面各有優(yōu)缺點，如表2 所示。

表2 其他壽命評估方法的優(yōu)缺點

4 結論

DC-DC 電源模塊的應用場景豐富，且使用需求不斷提升，給其發(fā)展帶來了良好的機遇。隨著裝備可靠性水平的不斷提高，DC-DC 電源模塊發(fā)展方向逐漸轉為高可靠長壽命，相關壽命評估需求也變得越來越迫切。本文簡要總結了DCDC 電源模塊的壽命評估方法，并對各方法進行了分析，主要完成了以下工作：

(1)常用壽命評估方法的分類。按照研究對象和研究方法的不同，對DC-DC 電源模塊壽命評估的方法分為兩大類：針對薄弱環(huán)節(jié)的壽命評估方法和其它類型的壽命評估方法。

(2)對各方法的操作流程進行了總結概括。梳理了CETRM 法、劣化注入法、基于分布間距的PHM 壽命評估法、虛擬可靠性評估法和虛擬鑒定法等一些方法的實驗流程，闡述了各方法需要的數(shù)學工具以及計算壽命的步驟。

(3)對各方法的優(yōu)缺點進行了總結概括。針對各方法需要的時長、成本、數(shù)據(jù)量等要點進行了分析，根據(jù)壽命評估方法的分類、使用時長的不同以及優(yōu)缺點的描述，總結歸納并形成了分析表格。

本文可為研究人員提供參考，研究成果可用于現(xiàn)有DCDC 電源模塊壽命評估工作之中。