基于加速退化试验的脉宽调制器贮存寿命预测研究

摘" 要： 脉宽调制器作为开关电源的核心器件，已广泛应用于航天器中，但其贮存寿命会影响电源系统的可靠性，进而影响航天器任务执行的成败。在寿命评估中，加速退化试验是常用的试验方法，其中激活能值是预测器件贮存寿命的关键，但目前相关标准只有器件激活能值的参考范围，缺乏试验相关条件设置的详细描述，这会影响寿命评估的精度。为此，文中以JW1525脉宽调制器为研究对象，分析JW1525的结构及工作原理，设计并完成72 h的加速退化预试验，得到器件的退化敏感参数作为输出电压。根据预试验结果设计并完成440 h的加速退化正式试验，并结合Arrhenius模型对正式试验结果进行数据处理，得到JW1525的激活能为0.29 eV，常温下贮存寿命将近70年。通过详细的器件结构分析和试验开展，得出脉宽调制器的激活能和常温贮存寿命，可为后续研究提供数据和试验基础。

关键词： 加速退化试验； 脉宽调制器； 贮存寿命； Arrhenius模型； 激活能； 退化敏感参数

中图分类号： TN606⁃34" " " " " " " " " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2024）16⁃0007⁃06

Pulse width modulator storage life prediction based on accelerated degradation test

YOU Wenchao1， SUN Gaoyu2， PENG Kefei3， HUANG Jiaoying1

（1. School of Reliability and Systems Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China;

2. School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

3. School of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract： Pulse width modulator， as the core devices of switch⁃mode power supplies， is widely utilized in spacecraft. However， the storage life of pulse width modulator can impact the reliability of power system， consequently influencing the success or failure of spacecraft mission execution. Accelerated degradation test is a commonly used method in life assessment， where the activation energy value is a crucial factor in predicting the storage life. The relevant standards only have the reference range of device activation energy， and lack the detailed description of test condition setting， which affects the accuracy of life assessment. Therefore， the JW1525 pulse width modulator is taken as the research object， and the structure and working principle of JW1525 are analyzed. A 72 h accelerated degradation pre⁃test was designed and completed， and the degradation sensitive parameter of the device was obtained as the output voltage. A 440 h accelerated degradation formal testing was designed and completed according to the pre⁃test results， and the data processing for the formal testing results was conducted by combining with the Arrhenius model. The activation energy of JW1525 was 0.29 eV， and the storage life was nearly 70 years at normal temperature. The activation energy and storage life of pulse width modulator are obtained by the detailed device structure analysis and test， which can provide data and test basis for subsequent research.

Keywords： accelerated degradation test; pulse width modulator; storage life; Arrhenius model; activation energy; degradation sensitive parameter

0" 引" 言

开关电源是航天器中使用较为广泛的一类器件，其核心器件是脉宽调制器（Pulse⁃Width Modulation， PWM）[1]。脉宽调制器的主要功能是提供占空比可调的矩形波信号，通过调节输出信号的占空比就可以控制开关的通断。在航天器贮存过程中，脉宽调制器的电性能会随时间退化甚至失效，而脉宽调制器作为核心器件[2]，其失效将错误控制或者无法控制电源通断，进而导致电源失效。根据统计，超过80%电源设备的失效会严重影响航天器任务的执行。因此，对脉宽调制器的贮存寿命评估具有重要意义。

目前，自然环境贮存试验检测法和加速退化试验法是国际上常用的两种贮存寿命评估方法。其中，自然环境贮存试验检测法是将待测样品在自然环境中贮存，研究其退化速率或失效函数。该方法得到的试验数据真实可靠，但现在很多器件、武器性能良好，常温贮存寿命可达几十年甚至上百年，自然环境贮存试验检测法周期过长，难以实现[3]。加速退化试验法是通过给待测样品施加远超过正常应力值的应力，加速器件的退化，可以极大地节省试验时间成本。基于此，加速退化试验法成为贮存寿命评估中的常用方法[4]。

在加速退化试验中，经常使用Arrhenius模型进行寿命评估[5]，而在该模型中激活能的值对寿命预测的精度影响较大[6]。对于不同种类、不同功能的产品，激活能的取值不同。目前，国内外相关标准只给出了器件激活能值的参考范围，且针对具体器件的加速试验相关标准存在条件设置、数据处理等需要完善的问题[7]。所以设计详细的加速试验方案，获取某一型号元器件激活能的值对寿命评估工作具有重要意义。

本文以JW1525型脉宽调制器为研究对象，通过结构及原理分析得到脉宽调制器的关键电特性参数，在此基础上，完善加速退化试验的条件设置、失效机理一致性判断方法，并开展预试验和正式试验。通过分析试验结果，得到脉宽调制器的退化敏感参数及激活能，最终获得常温下的贮存寿命。本研究为该型号脉宽调制器的贮存寿命预测和应用提供了数据基础，为同类型器件的贮存寿命预测研究提供了参考。

1" 脉宽调制器结构及工作原理研究

JW1525是一款常用型号的电流控制型脉宽调制器，封装形式为DIP16陶瓷封装，由基准电压源、振荡器、误差放大器、比较器、输出驱动器等组成。在脉宽调制器的工作过程中，误差放大器产生直流信号输出，振荡器输出锯齿波信号。脉宽调制器的核心功能是通过比较器对这两路信号进行比较，随后经过推挽电路处理并输出具有特定占空比的矩形波信号。

在加速退化试验中，需要根据器件参数退化来评估器件贮存寿命。JW1525的基准电压源、振荡器、误差放大器、比较器、输出驱动各部分的电特性参数及范围如表1所示。

为缩短试验时间并确保试验结果的准确性，试验选取的测量参数应能充分表征器件的核心功能。在各部分参数中，基准电压值对开关电源的输出精度有直接影响。误差放大器的输出电压决定了脉宽调制器的正常运作，而振荡频率、上升时间、占空比和输出电压则是脉宽调制器输出矩形波的主要参数。考虑到现有研究成果，选取基准电压、误差放大器的输出电压（即补偿电压）、振荡频率、上升时间、占空比、输出电压作为试验的测量参数。这些参数涵盖了脉宽调制器各个关键部分的性能特征。

根据需要测量的参数分析器件各引脚的功能，设计器件的JW1525应用电路，如图1所示。

2" 加速退化试验及加速模型分析

加速退化试验是电子器件贮存寿命评估中常用的试验方法。该方法通过给待测样品施加远超过正常应力值的应力，加速器件的失效，可以极大地节省试验时间成本，已成为贮存寿命评估中的常用方法。加速退化试验在提高应力的同时要保证不改变产品的失效机理，在此前提下，使用相应的加速模型才可以正确预计产品在某一应力下的寿命。

加速退化试验过程中，需要根据器件的特性及贮存环境确定试验应力类型、应力施加方式、加速试验模型、加速应力水平、各级应力停滞时间、试验停止原则等，这些试验关键因素会影响器件贮存寿命评估的准确性。

产品在贮存过程中经受的应力有温度应力、机械应力、振动应力、湿度应力、电应力等。产品在加速退化试验中，会结合产品贮存时实际的应力将应力单独施加或组合施加。根据试验应力的施加方式，加速退化试验分为3类，分别为恒定应力加速退化试验、步进应力加速退化试验、序进应力加速退化试验。恒定应力加速退化试验将产品分组，在恒定应力水平下进行试验[8]，适用于模拟长期使用过程中的应力环境。恒定应力试验简单易行，但试验时间较长，所需器件数量较多。步进应力加速退化试验是设定几个应力值，先在全部试件上施加某一应力进行试验，随后到设定好的下一个应力，适用于模拟实际使用过程中应力的变化情况。步进应力试验能够模拟实际应力的变化过程，所需器件数量较少，但需要进行多次加载和卸载，试验环境相对而言不稳定。序进应力加速退化试验的应力施加方式是随时间逐渐增加的，适用于评估材料在短时间内的应力加速退化情况。序进应力加速退化试验的试验时间相对较短，能够较快地评估器件的寿命，但对试验设备要求较高。三种应力施加方式如图2所示。

在加速退化试验中，经常选用Arrhenius模型来模拟器件的敏感参数退化速率与温度的关系，公式如下：

[dMdt=Aexp-EakT] （1）

式中：M为器件退化敏感参数；t为试验时间（单位为h）；[dMdt]为退化速率；A为常数（不随温度变化而变化）；[Ea]为激活能；k为玻耳兹曼常数；T为试验温度。

对式（1）左右两边积分取对数，得到寿命的对数[lnt]和温度倒数[1T]的线性关系，公式如下所示：

[lnt=lnΔMA+Eak⋅1T] （2）

加速退化试验在提高应力的同时要保证不改变产品的失效机理，提高试验应力只是加速了器件的退化速率。在进行加速贮存寿命试验时，要进行失效机理一致性判断。对于同一失效机理，其失效激活能是恒定的，因此，加速试验过程中只需判断失效激活能是否保持不变，就可以确定失效机理是否相同。

3" 脉宽调制器贮存寿命评估试验研究

JW1525的贮存寿命评估试验分为预试验和正式试验。预试验的目的是探索该型号脉宽调制器的退化敏感参数[9]以及正式试验应力范围，为正式试验奠定基础。预试验和正式试验都采用加速退化试验方法。在试验开始前，应进行完善的试验设计，规定应力的加载方法、受试产品要求和试验停止原则等，以达到试验快速激发缺陷的目的。

3.1" 预试验方案及结果

在预试验方案设计过程中，需要确定试验应力类型、应力施加方式、加速应力水平、各级应力停滞时间、试验停止原则等，这些因素直接影响加速贮存寿命试验的效率和精度，是开展试验设计的关键内容。预试验方案设计如下。

1） 试验应力类型。脉宽调制器等宇航用元器件，在贮存过程中通常会采取防霉菌、防潮湿、防盐雾等措施，湿度和化学应力对器件影响较小。相反，环境温度对器件的影响较为显著[10]，可视为主要的环境应力，因此选择温度应力作为试验应力。

2） 应力施加方式。根据试验应力的施加方式，加速退化试验分为3类，分别为恒定应力加速退化试验、步进应力加速退化试验、序进应力加速退化试验。在预试验中，需要在较短时间内得到该型号脉宽调制器的退化敏感参数以及应力范围，故选定步进应力加速退化试验。相比于恒定应力加速退化试验，步进应力加速退化试验能在较少试验样件数量下，短时间内得出脉宽调制器的退化敏感参数[11]。

3） 加速试验应力水平的选择。JW1525的贮存温度极限是150 ℃，根据器件贮存温度范围及相关文献[12]，拟从135 ℃出发，选取15 ℃作为应力增量，在每个应力下贮存12 h。贮存结束后，待器件恢复到室温再进行参数测试，保证JW1525完全达到温度平衡。

4） 试验停止原则。预试验在两种情况下停止：一是脉宽调制器失效；二是器件施加的应力量级达到或者远超过器件规定的贮存应力水平。

5） 硬件系统搭建。选用的硬件设备有JW1525脉宽调制器、高温温箱、TBS2000 SERIES示波器、GPC⁃60300电源、UT58B型万用表、导线若干、电阻若干、电容若干，而计算机作为数据处理终端。

在试验开始之前，室温下对JW1525脉宽调制器的电参数进行测量，器件初始参数测量值在正常工作范围内。在试验过程中，应力步进为210 ℃且在该应力下完成12 h贮存后，器件仍未失效。而JW1525的贮存温度极限是150 ℃，该应力量级已经远超器件规定的贮存应力水平，预试验停止，总计耗时72 h。

预试验完成72 h加速退化试验后，各部分的基准电压、补偿电压、频率、上升时间、占空比、输出电压等参数的退化趋势如图3所示。

根据预试验结果可知，输出电压退化量较大，退化趋势明显，测量过程中较为稳定，可以作为贮存寿命评估正式试验的测量参数。根据输出电压的退化趋势，在135～150 ℃，参数基本无退化；在150 ℃之后，器件退化趋势明显。故贮存寿命评估正式试验的应力范围可以设定在150～210 ℃。

3.2" 正式试验方案及结果

基于上述预试验结果，设计JW1525贮存寿命评估正式试验方案。由于预试验与正式试验都是加速退化试验，因此在正式试验方案设计过程中，同样需要确定试验应力类型、应力施加方式、加速试验应力水平、各级应力停滞时间、试验停止原则等。结合预试验得到的退化敏感参数和应力范围，设计正式试验方案如下。

1） 试验应力类型：与预试验相同，正式试验中选用的应力为温度应力。

2） 应力施加方式：在加速贮存寿命试验中，需要进行失效机理一致性判断。恒定应力加速退化试验中，被试样件一直稳定处于同一环境下，失效机理一致且外部干扰因素少，寿命评估结果比较准确。结合试验条件，选择恒定应力加速退化试验。

3） 加速试验应力水平：根据预试验结果，退化敏感参数输出电压在150 ℃之后发生较为明显的退化，为了在较短时间内得出参数退化轨迹，选取170 ℃（443.15 K）、190 ℃（463.15 K）、210 ℃（483.15 K）三级应力作为正式试验的试验应力。

4） 试验停止原则：正式试验为440 h定时结尾试验。

5） 硬件系统搭建：与预试验相同。

正式试验在每个应力水平下投入6个器件作为试验样件，其对应的器件编号为A1～A6、B1～B6、C1～C6。在试验开始之前，所有器件工作均表现正常。经过测试，试验获得了在各个应力下各器件的11组参数退化数据。

4" 脉宽调制器激活能及贮存寿命确定

试验数据处理的核心为Arrhenius模型，利用该模型进行数据处理，可以得到器件的激活能和贮存寿命。试验数据处理流程如图4所示。

4.1" 脉宽调制器退化轨迹拟合

建立退化⁃时间模型，对器件输出电压的退化轨迹进行拟合。常见退化⁃时间模型有以下几种：

[yi=αi+βit] （3）

[lgyi=αi+βit] （4）

[lgyi=αi+βilgt] （5）

根据参数的退化趋势，选用模型式（3）拟合器件退化轨迹，拟得出各器件的输出电压随贮存时间的退化拟合方程表达式。

4.2" 脉宽调制器各应力下伪寿命计算

根据JW1525的详细规范和标准，当器件的输出电压小于2.55 V时，判定器件失效。根据失效判据以及器件退化轨迹拟合方程，计算出各应力下各个器件的伪寿命值。

根据文献[13]，半导体集成电路的寿命通常符合对数正态分布，其概率密度函数为：

[f（t）=1σt2π⋅exp-12lnt-μσ2，" t≥0] （6）

均值和方差为：

[mean=expμ+σ22] （7）

[variance=exp（σ2）-1exp（2μ+σ2）] （8）

假设每个应力值下器件的寿命值都符合对数正态分布，采用K⁃S检验方法，在显著性水平是0.05的基础上，三个应力下器件伪寿命值均服从对数正态分布。根据分布拟合出的[μ]和[σ2]，可以计算出各应力下器件寿命的均值，即各应力下JW1525的伪寿命，计算结果如表2所示。在三个应力下，器件对应的寿命均值分别是14 155.62 h、11 596.87 h、7 524.18 h。

4.3" 失效机理一致性检验

根据加速模型分析中的公式（2）可知，玻耳兹曼常数k为恒定值，JW1525寿命的对数与温度的倒数呈线性关系。若要判断在正式试验过程中失效机理是否一致，只需判断三个应力下的寿命均值的对数[lnt]与温度倒数[1T]是否符合线性关系即可。本次采用最小二乘法拟合器件三个应力下的寿命均值的对数[lnt]与温度倒数[1T]的线性关系，拟合直线表达式及相关系数为：

[lnt=3 362.8051T+2.011 0] （9）

[R2=0.945 85] （10）

由公式（10）可知，相关系数[R2]的值非常接近1，可以判断三个应力下的寿命均值的对数[lnt]与温度倒数[1T]符合线性关系，即激活能值恒定。从而判定在加速退化试验过程中，器件的失效机理一致。

4.4" 计算激活能及器件常温贮存寿命

由4.3节中失效机理一致性判断可知，拟合曲线的斜率为：

[b=3 362.805] （11）

该直线的斜率为[Eak]，其中k为玻耳兹曼常数，则激活能（单位为eV）为：

[Ea=k⋅b=0.29] （12）

根据试验结果得到，JW1525的激活能为0.29 eV。

在加速退化试验过程中，即在170～210 ℃时，器件的失效机理一致。而JW1525最大贮存温度可以达到150 ℃，与加速试验中的第一级应力相近，且器件为陶瓷封装，具有良好的耐热性[14]。因此，可以认为器件在提高应力的同时没有引入其他失效机理，加速试验结果得到的激活能可以用来预测器件的常温寿命。根据拟合的函数表达式可以预测出JW1525型脉宽调制器常温下的贮存寿命为70～80年。不同温度下器件寿命预测如表3所示。

5" 结" 论

本文以JW1525型脉宽调制器为研究对象，开展512 h的加速退化试验，基于Arrhenius模型对试验结果进行处理，得到器件的激活能和贮存寿命，主要结论如下。

1） 脉宽调制器在温度应力下的退化敏感参数为输出电压，且参数在150 ℃以上退化趋势较为明显。

2） 在贮存寿命评估正式试验中，采用恒定应力加载方式，尽量少地引入其他因素的影响，验证了JW1525 脉宽调制器失效机理的一致性。

3） JW1525型脉宽调制器在贮存过程中，不施加任何电应力、机械应力等其他应力，其激活能是0.29 eV，在常温（25 ℃）下的贮存寿命约是67年。

本研究后续将获取脉宽调制器常温贮存的相关参数数据，完善贮存寿命评估试验并验证寿命评估的准确性。

注：本文通讯作者为黄姣英。

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