基于IDDT的傳感器集成電路故障智能檢測研究

呂曉鵬

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 引 言

當(dāng)被測電路規(guī)模較大時(shí)，想要完成對該電路的測試難度較大[1]。傳統(tǒng)的電路測試往往采用電壓測試的方法，對于電路測試，通過在電路輸入端輸入且檢測電路的輸出結(jié)果是否與原設(shè)計(jì)結(jié)果相同，使得測試結(jié)果過于籠統(tǒng)，且故障檢測準(zhǔn)確度不足[2]。傳統(tǒng)的電路故障不表現(xiàn)在電路的功能失效方面，因此如果電路中的冗余電路出現(xiàn)缺陷將難以檢測，雖然電路仍然可以正常工作，但是電路可靠性較低。目前廣泛應(yīng)用在芯片制造領(lǐng)域的技術(shù)為IDDQ動(dòng)態(tài)電流檢測技術(shù)，在檢測中具有檢測速度快、檢測類型多等優(yōu)勢，是一種高速發(fā)展的電路故障檢測技術(shù)。

1 集成電路故障智能檢測設(shè)計(jì)

1.1 確立檢測輸入向量

使用IDDT技術(shù)進(jìn)行檢測首先要輸入不同的測試向量?？紤]到是對電路的檢測，這里在測試時(shí)要輸入一堆測試向量，使電路形成跳變，且形成不同的多條IDDT通路[3]。通過輸入測試的向量對產(chǎn)生的不同跳變形成的多種通絡(luò)，在輸入AB時(shí)由00變?yōu)?1或10，則01（10）→00不會(huì)產(chǎn)生電流通路，而在00→11是產(chǎn)生的通路時(shí)會(huì)在產(chǎn)生4條通路。當(dāng)01（10）→10（01）時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生L1和L2；當(dāng)11→01時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生L1和L3。對于IDDT的測試生成在于要在其中找出一組原始的輸入當(dāng)量，而對于判斷測試向量在測試中的故障是否可測需運(yùn)用式（1）進(jìn)行驗(yàn)證：

式中，△代表在動(dòng)態(tài)電流測試方法中一個(gè)故障是否可測的測度，Nffv1,v2代表無故障電路在測試矢量v1、v2的作用下發(fā)生的跳變數(shù)，Nftv1,v2代表故障電路在測試矢量下的跳變數(shù)。式（1）中，在測試矢量中受到影響越大，且故障電路與無故障電路中產(chǎn)生的差別越大，則被測故障的檢測率越高。對于發(fā)出的向量，需根據(jù)電路檢測率修改發(fā)出的輸入向量，以保證發(fā)出的測試向量可以對電路中的故障有著良好的跳變。

1.2 確立測試電流模式

全速電流測試檢測實(shí)時(shí)的測試終端問題，通過將IDDQ與IDDT兩種技術(shù)結(jié)合，利用工作頻率進(jìn)行全速的電流測試。對于被測電路，注入兩種不斷循環(huán)的交替向量(V0,V1,V0,V1,…)，在求出故障和正常電路的電源電流差別時(shí)，兩個(gè)連續(xù)的向量即可完成測試。在V0→V1的情況下，產(chǎn)生相應(yīng)的瞬態(tài)電流（IDDT1）。當(dāng)動(dòng)態(tài)電流逐漸穩(wěn)定后，存在的為靜態(tài)電流；當(dāng)輸出向量為V1→V0時(shí)，重新產(chǎn)生新的瞬態(tài)電流，穩(wěn)定后仍會(huì)保留靜態(tài)電流。通過測試兩種向量輸入周期時(shí)的平均電流，并將其平均電流與正常電流相比，就能判斷是否存在故障。

循環(huán)周期中容易引起較大的瞬態(tài)電流，分別為IDDT1和IDDT2。兩種瞬態(tài)電流各不相同，兩個(gè)連續(xù)的向量循環(huán)輸入是使被測電路的跳變變?yōu)橐徽环吹妮斎?，表示在循環(huán)周期中測試波形存在4種。這里的靜態(tài)即為1，穩(wěn)態(tài)即為0。在正脈沖和負(fù)脈沖下，輸入信號間隔的周期必須相同。在進(jìn)行全速電流的測試中，跳變情況可以通過設(shè)計(jì)波形模擬器進(jìn)行接收。

1.3 使用波形模擬法接收電流跳變

波形模擬在于將電路中的每個(gè)點(diǎn)的信號都表示為波形，而波形表示為：

式中，c=0或c=1，ωti代表在ti時(shí)刻下的上升沿，而t代表全速電流下瞬態(tài)電流跳變情況，i代表此情況下瞬態(tài)電流輸出下的代表數(shù)值，這里為1。在波形模擬器匯總，對于整數(shù)陣列可以表示出有限個(gè)跳變的波形(c,t1,t2,…,tn,EOA)，其中EOA代表陣列結(jié)束。通過波形模擬法來記錄電流跳變時(shí)的情況，從而處理電路跳變的信息。

1.4 電流跳變信息處理

通過波形模擬器獲得相關(guān)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下電流情況，對于其數(shù)據(jù)采用小波分析：

式（3）為小波函數(shù)的連續(xù)形式，式（4）為小波函數(shù)的離散形式。在式（3）與式（4）中，a、b以及離散形式下的2j和k/2j分別表示在兩種形式下的伸縮因子和平移因子，即上文中的兩種交替向量得出的數(shù)據(jù)因子。這里的Z代表整數(shù)的集合。離散正交下的小波函數(shù)在變換中可形成平方可積函數(shù)f(x)的一組正交基，而對于f(x)的小波級數(shù)表示為：

對于信號f(x)作小波分析時(shí)，信號分解為不同的小波分量ψ(2jx-k)，而后通過不同級對應(yīng)的不同寬度的時(shí)窗，沿著x軸進(jìn)行逐步分析。另外，采用主元分析，將研究對象中的多個(gè)變量轉(zhuǎn)為少數(shù)不相關(guān)變量中。為了幫助后續(xù)完成對主成分的分析，將小波包分析后得出的訓(xùn)練樣本集記為X=(X1,X2,…,Xr)，依據(jù)其特征向量的維數(shù)和總方差不變對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性交換。通過小波分析對電流跳變信息的分析，判斷電路是否出現(xiàn)了故障。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的檢測方法的可行性，比較本文方法與傳統(tǒng)的電壓檢測方法。因C17電路具有較好的代表性，這里使用基準(zhǔn)電路匯總的C17電路對其進(jìn)行模擬測試實(shí)驗(yàn)，電路圖如圖1所示。

圖2 C17電路圖

在電路的不同位置分別注入固定故障、開路故障、橋接故障以及時(shí)延故障。開路故障可以使用在電路開路中串接100 MΩ的電阻進(jìn)行模擬；橋接故障的故障模擬可以選用250 Ω的故障電阻；時(shí)延故障可以通過在故障點(diǎn)位置加入反門，使該位置的點(diǎn)處加入一個(gè)兩級反門的傳輸延時(shí)。為了方便各種故障的表達(dá)和書寫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表格中故障代號為C，C1即為故障模式1，以此類推。實(shí)驗(yàn)過程中首先采取故障訓(xùn)練樣本對傳統(tǒng)方法和本文樣本的診斷系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練樣本測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 電路故障智能檢測方法對比

由表1可知，訓(xùn)練樣本的檢測中共119個(gè)故障，本文方法診斷出102個(gè)故障，診斷率為85.7%，傳統(tǒng)方法診斷出80個(gè)故障，診斷率為67.2%。其中，C4型故障難以使用自動(dòng)監(jiān)測方法進(jìn)行檢測，因此兩種檢測方法均為正常，而傳統(tǒng)方法無法檢測C3型故障模式，因此結(jié)果為0。通過結(jié)果對比可見，本文方法在檢測電路故障時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

本文對基于IDDT的傳感器集成電路故障智能檢測進(jìn)行了研究，通過設(shè)計(jì)IDDT的檢測輸入向量和電流模式，對檢測后得出的數(shù)據(jù)分析做出了設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的檢測方法對于有些故障仍存在無法檢測的問題，需要進(jìn)一步改善，但檢測精確性優(yōu)于傳統(tǒng)方法，具有可行性。