CN115184784A - 基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及间歇故障检测技术领域，公开一种基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统及方法，以精准捕捉间歇故障并避免连续采样所造成的软硬件资源的浪费。系统包括：与数字电路激励模块及间歇故障注入模块连接的被测数字电路板；所述被测数字电路板经测试信号输出接口与分压电阻及待测电路供电电源形成测试通路；与所述分压电阻并联的电压信号触发采样模块，设置有连续采样模式和基于电压触发条件的采样模式；以及与所述电压信号触发采样模块连接的信号处理和间歇故障判别模块。
Description
技术领域
本发明涉及间歇故障检测技术领域，尤其涉及一种基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统及方法。
背景技术
由于工艺尺寸的缩小化，芯片中的元器件及连线更加精密，且电路集成化要求电路时钟频率越来越快。更小的互连和更高的工作频率给电路可靠性测试及容错算法带来了更大挑战，其中间歇性故障的可能性也大幅增加。实验和可靠性数据证明，瞬时和间歇故障是现代计算机经历的主要故障，间歇故障是造成半导体器件错误的主要原因。间歇故障(Intermittent Fault,IF)是指产品发生故障后，不经修理而在有限的时间内自行恢复规定功能的故障。间歇故障与永久故障的主要区别在于间歇故障可以在极短的时间内发生，在不采取任何措施的情况下又可以消失。在检测过程中发现，由间歇故障导致的无故障发现(No Fault Found，NFF)和重测合格(Re-test OK，RTOK)的现象频次不断增加。在数字电路运作中尽早发现故障并迅速进行故障定位修复，成为研究人员不断追寻的目标。
在数字电路中，间歇故障的表现形式又有其自己的特点：突发性、反复性和高错误率。并且统计试验中发现，80％的间歇故障是由于交互连接的松动和腐蚀导致的，这种间歇故障称为连接型间歇故障。电子装备在长时间服役过程中，间歇故障往往是永久性故障的征兆，而终将导致永久性故障的发生。连接型间歇故障是由电路暂时的断开引起，一方面是由于生产过程中晶体管、焊点中的残留物等内部因素引起的瞬态翻转；另一方面是由于间歇性的开短路故障，即线路、触点、晶体管等电路互连中的断裂或缺陷造成开路，导线或晶体管短路，在某些时候会导致间歇性固定故障，即故障信号线上的正确值间歇性地转换为固定值，即逻辑值“1”(Stuck-at-1)或逻辑值“0”(Stuck-at-0)。在大多数时候，这类间歇故障又可能被逻辑或电气屏蔽，在输出端无外在表现，难以捕捉与检测。
针对互连问题引发的间歇性故障，目前的研究和应用主要是集中在采用直流激励来检测电路中的连接型间歇故障问题，不适用于交流激励或者数字信号。对于数字电路来说，这种方法不太适用。因为间歇故障在电路正常工作状态下可能被逻辑或电气屏蔽，不影响输出端电平，从监控电路电压的角度难以捕捉与检测。但是已有研究表明[1,2]，间歇故障发生时刻数字电路的电源电流会显著增加，关注模拟量尤其是供电电源的电流被证明是监测间歇故障的最佳方式。动态电源电流测试在90年代中期被提出，它可以检测出一些电压测试和静态电流测试不能检测的电路中的永久性故障。目前关于电源电流测试的研究主要集中在永久性故障的诊断与定位上，应用于间歇故障上还鲜有文献发表。
电路中的元件总是与供电电源直接或间接的相连接。如果电路中某处发生了故障，那么总是会通过故障处的电流而表现出来，最终将会表现在其供电端电流上。因此，电源电流包含了丰富的元器件信息，如何利用电源电流来测试出数字电路中对外部电路无影响的间歇故障，尽可能在工作状态下进行测试，同时避免漏检，是本领域技术人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明目的在于公开一种基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统及方法，以精准捕捉间歇故障并避免连续采样所造成的软硬件资源的浪费。
为达上述目的，本发明公开一种基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统，包括：
与数字电路激励模块及间歇故障注入模块连接的被测数字电路板；
所述被测数字电路板经测试信号输出接口与分压电阻及待测电路供电电源形成测试通路；
与所述分压电阻并联的电压信号触发采样模块，设置有连续采样模式和基于电压触发条件的采样模式；
所述间歇故障注入模块，用于在所述连续采样模式下，经所述被测数字电路板向所述测试通路中分次注入至少两种连接型间歇故障，计算出连接型间歇故障发生时的电流最大值，然后通过在连接型间歇故障发生时的电流最大值与正常电路逻辑跳变时的电流最大值之间取值与所述分压电阻的阻值相乘得到所述电压信号触发采样模块对应所述被测数字电路板当前测试通路的触发阈值电压；
所述电压信号触发采样模块，还用于在计算出所述触发阈值电压并停止所述间歇故障注入模块注入间歇故障后，根据所述触发阈值电压切换至电压触发条件的采样模式，并设置基于电压触发条件触发后的连续采样的时长值，所述时长值大于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间，并在超出所述时长值后暂停采样；
与所述电压信号触发采样模块连接的信号处理和间歇故障判别模块，用于在基于电压触发条件的采样模式下，对所述电压信号触发采样模块采集得到的数据进行分析和处理以确定所述被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障。
优选地，基于电压触发条件触发后的连续采样的所述时长值小于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间的1.1倍，或者等于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间与之后5-8个采样点的时间累积。
优选地，所述信号处理和间歇故障判别模块判定所述被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障的条件为：对应两电源电流峰值之间时间间隔小于待测连接型间歇故障的最大持续时间、且两电源电流峰值所对应所述分压电阻的电压大于或等于所述触发阈值电压。
优选地，所述分压电阻的阻值根据所述被测数字电路板所对应电源电压的最大变化值和瞬态电流峰值进行确定。
优选地，所述待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间，通过所述间歇故障注入模块经所述被测数字电路板向所述测试通路中分次注入至少两种连接型间歇故障后，所述电压信号触发采样模块在连续采样模式下所观测到的对应两电源电流峰值之间的最大采样时间进行确定。
为达上述目的，本发明还公开一种基于上述电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统的测试方法，包括：
确定所述分压电阻的阻值；
在连续采样模式下，确定所述电压信号触发采样模块对应所述被测数字电路板当前测试通路的触发阈值电压；
在基于电压触发条件的采样模式，所述电压信号触发采样模块将采样数据传送给所述信号处理和间歇故障判别模块以判别所述被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障，并在超出所设置的基于电压触发条件触发后的连续采样的时长值之后暂停采样。
本发明具有以下有益效果：
能便捷地更换被测数字电路板，且针对各个被测数字电路板，能快捷并精准地确定电压信号触发采样模块在电压触发条件的采样模式下匹配的触发阈值电压和触发后的连续采样的时长值等系列参数，有效避免大量无效的采样数据对信号处理和间歇故障判别模块所造成的资源浪费，也有利于节约电压信号触发采样模块的能耗并延长使用寿命。从而使得本发明具有灵活的适配性，利于推广实施。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的系统所需硬件的总体构成图。
图2为本发明实施例公开的测试方法的总体流程图。
图3为本发明实施案例被测电路的正常工作状态的电源电流曲线。
图4～图7为本发明实施案例注入4次连接型间歇故障的电流响应曲线。
图8为本发明实施案例测得的某一次间歇故障电源电流瞬态响应。
图9为本发明实施案例测得的某一次间歇故障电源电流去噪后的瞬态响应。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统，如图1所示，包括：
与数字电路激励模块及间歇故障注入模块连接的被测数字电路板。
被测数字电路板经测试信号输出接口与分压电阻及待测电路供电电源形成测试通路。
与分压电阻并联的电压信号触发采样模块，设置有连续采样模式和基于电压触发条件的采样模式。
间歇故障注入模块，用于在连续采样模式下，经被测数字电路板向测试通路中分次注入至少两种连接型间歇故障，计算出连接型间歇故障发生时的电流最大值，然后通过在连接型间歇故障发生时的电流最大值与正常电路逻辑跳变时的电流最大值之间取值与分压电阻的阻值相乘得到电压信号触发采样模块对应被测数字电路板当前测试通路的触发阈值电压。
电压信号触发采样模块，还用于在计算出触发阈值电压并停止间歇故障注入模块注入间歇故障后，根据触发阈值电压切换至电压触发条件的采样模式，并设置基于电压触发条件触发后的连续采样的时长值，时长值大于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间，并在超出时长值后暂停采样。
本实施例系统还包括：与电压信号触发采样模块连接的信号处理和间歇故障判别模块，用于在基于电压触发条件的采样模式下，对电压信号触发采样模块采集得到的数据进行分析和处理以确定被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障。
参照图1及图2，本发明对应的测试方法具体包括以下步骤：
1搭建数字电路板的间歇故障测试系统
数字电路板的间歇故障测试系统由分压电阻、典型间歇故障注入模块、电压信号触发采样模块、信号处理与间歇故障判别模块组成。
1.1分压电阻Rshunt串联接在被测电路板供电电源的线路中，主要用于对被测电路板的电源电流数据获取所需的电压采样提供分压，分压电阻Rshunt参数需要针对不同被测对象进行设计，设计方法见“2、分压电阻参数设计”。
1.2典型间歇故障注入模块用于模拟数字电路中的典型连接型间歇故障，可采用高速模拟开关实现。
1.3电压信号触发采样模块与分压电阻Rshunt并联，用于对分压电阻两端的电压进行高精度采样。触发采样的电压触发条件，即分压电阻两端采样的触发阈值电压Vf需要针对不同被测对象进行设计，设计方法见“3间歇故障电压信号触发采样”。
1.3信号处理与间歇故障判别模块和电压信号触发采样模块相连。该模块主要指信号处理与间歇故障判别软件，并集成于计算机中，可用于对电压信号触发采样模块采集得到的数据进行分析和间歇故障的判别与处理。
2分压电阻参数设计
分压电阻的阻值由供电电压和被测电路板的静态电源峰值而确定。分压电阻阻值的要求是，一方面通过测量分压电阻两端的电压来获取电源通路中的动态电流，一方面要减少该电阻对芯片工作电压的影响。针对某一特定的被测电路板，分压电阻阻值可以由以下步骤来确定。
2.1通过被测电路板的技术手册获得电路中的电源电压的最大变化值ΔVDD。
2.2由于分压电阻的分压需要足够小而不影响被测电路的正常工作，分压电阻的分压最大为ΔVDD，电路的瞬态电流峰值
也可以由被测对象的技术手册中获得，因此分压电阻计算式为：
3间歇故障电压信号触发采样
电压信号触发采样模块的输入输出端接在分压电阻两端，可采用目前已经成熟的触发采样模块进行测量，如可采用示波器的电压触发采样模块对分压电阻两端电压进行触发采样。其中关键在于确定触发采样的电压触发条件，即分压电阻两端采样的触发阈值电压Vf，其具体的确定方法如下：
3.1采集被测数字电路的正常工作电源电流数据，获取正常电路逻辑跳变时的电流最大值Inmax。
3.2对被测数字电路板的测试通路中注入连接型间歇性故障(不少于3次)，采集被测电路板的间歇故障发生时的工作电流数据，获取连接型间歇故障发生时的电流最大值Ifmax。
3.3确定被测电路板的间歇故障的电流阈值III，取值范围为：Inmax＜III＜Ifmax，考虑到间歇故障的检测效果(减少漏检)，III尽量偏小。
3.4触发采样的触发阈值电压Vf为电流阈值III与分压电阻的乘积：Vf＝III*Rshunt。
4采样信号数据的处理与间歇故障判别
信号处理与间歇故障判别模块为计算机软件模块，集成于计算机中，可用于对电压信号触发采样模块采集得到的数据进行分析和处理，具体步骤如下：
4.1对被测电路板提供测试激励，通过示波器的触发方式捕捉超过故障阈值Vf的电压数据。
4.2将采样的电压数据转换为电源的动态电流数据，电源的动态电流响应Idd可以由下式计算：
其中，Vdd是经过分压电阻两端的实际电压，Rshunt是分压电阻阻值。
4.3对采集的电流数据采用公知的常规方法的进行去噪处理，如小波去噪等。
4.4基于电流数据判断是否生间歇故障。
当电路在正常工作状态下发生间歇故障时，电源电流响应的瞬间波动会大于正常工作状态下的静态电流值，且根据间歇故障的持续时间在故障发生与结束时刻会有两个电流峰值。设定故障阈值III，对电压信号触发采样模块触发模式捕捉的电压信号数据转换为电流信号后，获得电流值超过故障阈值III的电源电流响应Idd。间歇故障的判别规则为：若某一时刻的电源电流Idd大于III，且在较短时间内(5ms内)出现了两个电流峰值，则说明在这一持续时间内被测电路板的测试通路中发生了间歇故障。即：信号处理和间歇故障判别模块判定被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障的条件为：对应两电源电流峰值之间时间间隔小于待测连接型间歇故障的最大持续时间、且两电源电流峰值所对应分压电阻的电压大于或等于触发阈值电压。
在本实施例中，优选地，基于电压触发条件触发后的连续采样的时长值小于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间的1.1倍，或者等于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间与之后5-8个采样点的时间累积。
优选地，待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间，通过间歇故障注入模块经被测数字电路板向测试通路中分次注入至少两种连接型间歇故障后，电压信号触发采样模块在连续采样模式下所观测到的对应两电源电流峰值之间的最大采样时间进行确定。作为一种变劣的替换，对应两电源电流峰值之间的最大持续时间也可根据专家的统计经验值得出。
进一步地，本发明还提供一个具体的计算实例，具体实施方式如下：
一、搭建数字电路板的间歇故障测试系统
搭建如图1所示的数字电路间歇故障测试系统，分压电阻Rshunt接在被测电路板(某ISCAS85组合逻辑电路供电电源的线路中，电压信号触发采样模块为示波器的电压触发采样模块，将示波器的探头两端连接到分压电阻两端，用于测量分压电阻两端的电压，采集获得的数据传输到数据信号处理与间歇故障判决模块(计算机软件)进行分析和处理。数字电路板的间歇故障测试系统由分压电阻、电压信号触发采样模块、信号处理与间歇故障判别模块组成。
二、分压电阻参数设计
分压电阻的阻值由供电电压和被测电路板的静态电源峰值而确定。分压电阻阻值的要求是，一方面通过测量分压电阻两端的电压来获取电源通路中的动态电流，一方面要减少该电阻对芯片工作电压的影响。针对某一特定的被测电路板，分压电阻阻值可以由以下步骤来确定：
2.1、通过被测电路板的技术手册获得电路中的标准电压范围为3V～5V，最大电压工作范围为6V，即电源电压允许的最大变化值ΔVDD＝1.0V。
2.2、由于分压电阻的分压需要足够小而不影响被测电路的正常工作，分压电阻的分压最大为ΔVDD，电路的瞬态电流峰值也可以由被测对象的技术手册中获得
因此分压电阻计算式为：
三、间歇故障电压信号触发采样
电压信号触发采样模块的输入输出端接在分压电阻两端，可采用目前已经成熟的触发采样模块进行测量，如可采用示波器的电压触发采样模块对分压电阻两端电压进行触发采样。其中关键在于确定触发采样的电压触发条件，即分压电阻两端采样的触发阈值电压Vf，其具体的确定方法如下：
3.1、采集被测数字电路的正常工作电源电流数据，获取正常电路逻辑跳变时的电流最大值Inmax。图3所示为待测电路正常工作状态的电源电流曲线，从图3中可知，该电路正常工作时的静态电源电流在1mA附近波动，在电路逻辑跳变时Inmax＝4mA。
3.2、对被测数字电路板的测试通路中注入典型连接型间歇性故障，采集被测电路板的间歇故障发生时的工作电流数据，获取连接型间歇故障发生时的电流最大值Ifmax，图4～图7为注入4次连接型间歇故障的电流响应数据，从四次结果看，Ifmax＝30mA。
3.3、确定被测电路板的间歇故障的电流阈值III，取值范围为：4mA＜III＜30mA，考虑到间歇故障的检测效果，III尽量偏小，因此可取III＝6mA＝0.06A；
3.4、触发采样的触发阈值电压Vf为电流阈值III与分压电阻的乘积：
Vf＝III×Rshunt＝0.06×20＝1.2V。
四、采样信号数据的处理与间歇故障判别
信号处理与间歇故障判别模块为计算机软件模块，集成于计算机中，可用于对电压信号触发采样模块采集得到的数据进行分析和处理，具体步骤如下：
4.1、对被测电路板提供测试激励，即5v的方波信号，通过示波器的触发方式捕捉超过故障阈值Vf＝1.2V的电源电流响应。此时示波器的采样间隔需足够小，才能捕捉到ns级别的瞬态响应，设置示波器采样频率为1.25GHz，采样点数为10000个，采样时长为8us。
4.2、将采样的电压数据转换为电源的动态电流数据，捕捉到某一次的电源电流瞬态响应如图8所示。
4.3、对采集的电压数据采用小波去噪方法进行去噪处理，处理后如图9所示。
4.4、基于电流数据判断是否生间歇故障。
从图9可知，当t＝2.2us及3us时电流瞬态响应出现了两个电流峰值为13mA，超过了故障阈值6mA，可以判别电路发生了一次间歇故障，且故障的持续时间为1us左右。
实施例2
与上述实施例相对应的，本实施例公开一种基于上述电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统的测试方法，包括：
步骤S1、确定所述分压电阻的阻值。
步骤S2、在连续采样模式下，确定所述电压信号触发采样模块对应所述被测数字电路板当前测试通路的触发阈值电压。
步骤S3、在基于电压触发条件的采样模式，所述电压信号触发采样模块将采样数据传送给所述信号处理和间歇故障判别模块以判别所述被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障，并在超出所设置的基于电压触发条件触发后的连续采样的时长值之后暂停采样。
综上，本发明实施例公开的基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统及方法，具有以下有益效果：
能便捷地更换被测数字电路板，且针对各个被测数字电路板，能快捷并精准地确定电压信号触发采样模块在电压触发条件的采样模式下匹配的触发阈值电压和触发后的连续采样的时长值等系列参数，有效避免大量无效的采样数据对信号处理和间歇故障判别模块所造成的资源浪费，也有利于节约电压信号触发采样模块的能耗并延长使用寿命。从而使得本发明具有灵活的适配性，利于推广实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统，其特征在于，包括：
与数字电路激励模块及间歇故障注入模块连接的被测数字电路板；
所述被测数字电路板经测试信号输出接口与分压电阻及待测电路供电电源形成测试通路；
与所述分压电阻并联的电压信号触发采样模块，设置有连续采样模式和基于电压触发条件的采样模式；
所述间歇故障注入模块，用于在所述连续采样模式下，经所述被测数字电路板向所述测试通路中分次注入至少两种连接型间歇故障，计算出连接型间歇故障发生时的电流最大值，然后通过在连接型间歇故障发生时的电流最大值与正常电路逻辑跳变时的电流最大值之间取值与所述分压电阻的阻值相乘得到所述电压信号触发采样模块对应所述被测数字电路板当前测试通路的触发阈值电压；
所述电压信号触发采样模块，还用于在计算出所述触发阈值电压并停止所述间歇故障注入模块注入间歇故障后，根据所述触发阈值电压切换至电压触发条件的采样模式，并设置基于电压触发条件触发后的连续采样的时长值，所述时长值大于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间，并在超出所述时长值后暂停采样；
与所述电压信号触发采样模块连接的信号处理和间歇故障判别模块，用于在基于电压触发条件的采样模式下，对所述电压信号触发采样模块采集得到的数据进行分析和处理以确定所述被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障。
2.根据权利要求1所述的基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统，其特征在于，基于电压触发条件触发后的连续采样的所述时长值小于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间的1.1倍；或者
基于电压触发条件触发后的连续采样的所述时长值等于待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间与之后5-8个采样点的时间累积。
3.根据权利要求1或2所述的基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统，其特征在于，所述信号处理和间歇故障判别模块判定所述被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障的条件为：对应两电源电流峰值之间时间间隔小于待测连接型间歇故障的最大持续时间、且两电源电流峰值所对应所述分压电阻的电压大于或等于所述触发阈值电压。
4.根据权利要求1或2所述的基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统，其特征在于，所述分压电阻的阻值根据所述被测数字电路板所对应电源电压的最大变化值和瞬态电流峰值进行确定。
5.根据权利要求1或2所述的基于电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统，其特征在于，所述待测连接型间歇故障的发生时刻与结束时刻所对应两电源电流峰值之间的最大持续时间，通过所述间歇故障注入模块经所述被测数字电路板向所述测试通路中分次注入至少两种连接型间歇故障后，所述电压信号触发采样模块在连续采样模式下所观测到的对应两电源电流峰值之间的最大采样时间进行确定。
6.一种基于权利要求1至5任一所述电源电流的数字电路连接型间歇故障测试系统的测试方法，其特征在于，包括：
确定所述分压电阻的阻值；
在连续采样模式下，确定所述电压信号触发采样模块对应所述被测数字电路板当前测试通路的触发阈值电压；
在基于电压触发条件的采样模式，所述电压信号触发采样模块将采样数据传送给所述信号处理和间歇故障判别模块以判别所述被测数字电路板当前对应的测试通路是否发生了连接型间歇故障，并在超出所设置的基于电压触发条件触发后的连续采样的时长值之后暂停采样。
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