基于STS8200測試平臺DC-DC升壓芯片測試的研究

-PAGEI-上海建橋?qū)W院本科畢業(yè)設計（論文）-PAGE1-基于STS8200測試平臺DC-DC升壓芯片測試的研究摘要隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的不斷進步，集成電路IC產(chǎn)業(yè)取得了重大突破，集成電路測試也成為了IC產(chǎn)業(yè)中舉足輕重的存在。集成電路測試不僅僅是能通過測試芯片得到測試數(shù)據(jù)，篩選出芯片的優(yōu)良，還可以給芯片設計者一個性能的反饋，幫助芯片的優(yōu)化。所以，集成電路測試在集成電路的發(fā)展中有重大意義。在當下，手機、相機以及平板電腦等便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品也在飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品扮演著人們?nèi)粘Ｉ钪信e足輕重的地位，電源也是電子產(chǎn)品中最重要的一部分。因此，電源管理芯片是整個電子系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部件，其發(fā)展和需求量都成為了市場的關(guān)注對象。由于DC-DC變換器具有轉(zhuǎn)換效率高、小體積等優(yōu)越的特點，以至于被廣泛應用于各種便攜式電子產(chǎn)品中。本課題基于STS8200測試平臺對DC-DC升壓芯片測試進行研究。了解同步升壓DC-DC變換器芯片測試的基本原理以及有關(guān)基礎知識，設計測試電路并驗證。根據(jù)測試電路設計PCB板。學習STS8200測試平臺的軟件、硬件和編程，完成相對應測試板的焊接和相對應程序編寫。利用測試平臺完成DC-DC升壓芯片的測試，在測試機上對XT1871芯片的靜態(tài)電流、輸出電壓、線性調(diào)整度、負載調(diào)整度等幾個方面進行測試，并對測試結(jié)果進行分析，對測試中出現(xiàn)的問題提出解決方法。關(guān)鍵詞：集成電路測試，DC-DC，測試程序，自動測試設備（ATE），同步升壓，芯片-PAGEIV-ResearchonSTS8200testplatformDC-DCboostchiptestAbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnologyandthecontinuousprogressoftechnology,ICindustryhasmadeasignificantbreakthrough,ICtestinghasbecomeapivotalpresenceintheICindustry.Integratedcircuittestingcannotonlygetthetestdatathroughthetestchip,screenoutthegoodchip,butalsocangiveaperformancefeedbacktothechipdesigner,helptheoptimizationofthechip.Therefore,ICtestingisofgreatsignificanceinthedevelopmentofIC.Atpresent,mobilephones,cameras,tabletcomputersandotherportabledigitalelectronicproductsarealsodevelopingrapidly,electronicproductsplayapivotalroleinPeople'sDailylife,powersupplyisalsothemostimportantpartofelectronicproducts.Therefore,powermanagementchipisanindispensablecomponentoftheentireelectronicsystem,itsdevelopmentanddemandhavebecomethefocusofthemarket.Becauseoftheadvantagesofhighconversionefficiencyandsmallvolume,DC-DCconverteriswidelyusedinvariousportableelectronicproducts.ThistopicbasedonSTS8200testplatformforDC-DCboostchiptestresearch.UnderstandthebasicprincipleandrelatedbasicknowledgeofsynchronousboostDC-DCconverterchiptest,designandverifythetestcircuit.DesignPCBboardaccordingtotestcircuit.Learnthesoftware,hardwareandprogrammingofSTS8200testplatform,completetheweldingandprogrammingofcorrespondingtestboard.UsingthetestplatformtocompletethetestofDC-DCboostchip,thestaticcurrent,outputvoltage,linearadjustment,loadadjustmentandotheraspectsofXT1871chiparetestedonthetestmachine,andthetestresultsareanalyzed,andthesolutionstotheproblemsinthetestareproposed.KeyWords：Integratedcircuittesting,DC-DC,Testprogram,AutomaticTestEquipment(ATE),Synchronousboost,chip目錄1緒論 11.1中國集成電路測試發(fā)展現(xiàn)況 11.2集成電路測試發(fā)展趨勢 21.3集成電路測試分類 21.4集成電路測試方法 31.5本文研究內(nèi)容 31.5.1課題意義 31.5.2研究內(nèi)容 42STS8200測試平臺 52.1測試平臺概述 52.2測試系統(tǒng)硬件 52.2.1PC機 62.2.2總線接口卡 62.2.3測試主機 62.3測試平臺軟件 62.3.1控制臺 72.3.2啟動程序 72.3.3啟動測試 72.3.4主界面 72.3.5程序啟動 72.3.6裝載測試程序 72.3.7執(zhí)行測試 82.3.8數(shù)據(jù)顯示 83DC-DC變換器 93.1Boost電路 93.2BUCK電路 103.3Buck-Boost電路 113.4PWM（PFM） 123.5XT1871芯片的介紹 143.5.1概述 143.5.2功能特性 143.5.3封裝 143.5.4引腳 154測試方案的設計及驗證 174.1測試電路設計 174.1.1測試電路工作原理 174.1.2測試電路圖 174.2芯片測試電路驗證 184.3PCB板設計 214.3.1PADS軟件 214.3.2PCB板版圖設計 224.3.3PCB板焊接 244.4程序設計 244.4.1測試程序框圖 254.4.2引腳程序 254.4.3清源程序 254.4.4OS測試程序 264.4.5電流電壓測試程序 274.4.6線性調(diào)整度測試程序 284.4.7負載調(diào)整測試程序 295芯片測試 305.1測試的過程 305.2測試方法 335.3測試結(jié)果分析 33結(jié)論 34參考文獻 35附錄A測試程序 36致謝 411緒論隨著工藝的精湛，科技的發(fā)展，芯片內(nèi)部的構(gòu)造復雜度提升，制造工藝不可避免的會在生產(chǎn)過程中給芯片留下潛在的缺陷，使器件的可靠性不能達到標準的要求，還會因為各種原因而出現(xiàn)故障。因此集成電路測試是半導體產(chǎn)業(yè)里必不可少的環(huán)節(jié)，貫穿在芯片設計、晶圓制造、芯片封裝以及集成電路應用的整個環(huán)節(jié)。1.1中國集成電路測試發(fā)展現(xiàn)況中國集成電路產(chǎn)業(yè)誕生于六十年代，共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：1965年-1978年：以計算機和軍工配套為目標，開發(fā)邏輯電路為主要產(chǎn)品，初步建立集成電路工業(yè)基礎及相關(guān)設備、儀器、材料的配套條件。1978年-1990年：引進美國的二手設備，改善國家集成電路裝備水平，以消費類整機作為配套重點，解決了彩電集成電路的國產(chǎn)化。1990年-2000年：以908工程、909工程為重點，CAD為突破口，抓好科技攻關(guān)和北方科研開發(fā)基地的建設，為信息產(chǎn)業(yè)服務，集成電路行業(yè)取得了新的發(fā)展。2000年至今是高速發(fā)展階段。中國集成電路產(chǎn)業(yè)隨著元器件特征尺寸的不斷縮小，各種產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)融合度更高，技術(shù)更新速度更快，形成一種全新的學科或者產(chǎn)業(yè)，這對于整體社會發(fā)展有著關(guān)鍵作用。因此必須要充分發(fā)揮集成電路和其他產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系，使其能夠為更多的產(chǎn)業(yè)提供源源不斷的生產(chǎn)動力，整個社會朝著智能化與自動化的方向發(fā)展。自1987年，臺積電創(chuàng)立將IC制造從IC產(chǎn)業(yè)中剝離出來，而后逐漸發(fā)展為設計、制造、封裝、測試分離的產(chǎn)業(yè)鏈模式。這種垂直分工的模式首先大大提升了整個產(chǎn)業(yè)的運作效率。將相對輕資產(chǎn)的設計和重資產(chǎn)的制造及封測分離有利于各個環(huán)節(jié)集中研發(fā)投入，加速技術(shù)發(fā)展，降低了企業(yè)的準入門檻和運營成本。各環(huán)節(jié)交由不同廠商進行，增強企業(yè)的專業(yè)性和生產(chǎn)流程的準確性。此外，專業(yè)測試從封測中分離既可以減少重復產(chǎn)能投資，又可以穩(wěn)定地為中小設計廠商提供專業(yè)化測試服務，以規(guī)模效應降低產(chǎn)品的測試費用，縮減產(chǎn)業(yè)成本。世界整體產(chǎn)業(yè)也從IDM轉(zhuǎn)向垂直分工。而集成電路測試卡在產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵節(jié)點，貫穿設計、制造、封裝以及應用的全過程。從整個制造流程上來看，集成電路測試具體包括設計階段的設計驗證、晶圓制造階段的過程工藝檢測、封裝前的晶圓測試以及封裝后的成品測試，貫穿設計、制造、封裝以及應用的全過程，在保證芯片性能、提高產(chǎn)業(yè)鏈運轉(zhuǎn)效率方面具有重要作用。我國國內(nèi)測試產(chǎn)業(yè)自1981年起，陸續(xù)有六五、七五、八五等每五年為一期的國家科技計劃支持，使得我國IC測試產(chǎn)業(yè)取得10MHz數(shù)字測試系統(tǒng)、2OMHz內(nèi)存測試系統(tǒng)、4OMHz數(shù)字測試系統(tǒng)等一系列科研成果，但是這些成果并未進行進一步轉(zhuǎn)化，以供應工業(yè)之用，因此目前國內(nèi)IC生產(chǎn)線中的中、高檔的測試系統(tǒng)仍以依賴國外進口為主,基本上暫時沒有國產(chǎn)中、高檔的半導體測試設備或是測試的生產(chǎn)線。1.2集成電路測試發(fā)展趨勢1.規(guī)模化目前測試設備以進口為主，單機價值高達30萬美元到100萬美元不等，重資產(chǎn)行業(yè)特征明顯，資本投入巨大，第三方測試公司專業(yè)化和規(guī)?；瘍?yōu)勢明顯，測試產(chǎn)品多元化加速測試方案迭代，源源不斷的訂單保證產(chǎn)能利用率。因此，集成電路測試行業(yè)需要規(guī)模化，首先是能大幅提高設備利用率，維持產(chǎn)業(yè)盈利。再者是因為測試行業(yè)技術(shù)水平的提高也依賴于大規(guī)模的測試項目所推進，2.專業(yè)化以目前來看，IC產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高度細化分工，芯片測試走向?qū)I(yè)化也必定是大勢所趨。首先，IC制程演進和工藝日趨復雜化，制程過程中的參數(shù)控制和缺陷檢測等要求越來越高，IC測試專業(yè)化的需求提升；其次，芯片設計趨向于多樣化和定制化，對應的測試方案也多樣化，對測試的人才和經(jīng)驗要求提升，則測試外包有利于降低中小企業(yè)的負擔，增加效率。此外，專業(yè)測試在成本上具有一定優(yōu)勢。3.自主化國內(nèi)IC設計公司出于對接成本和國內(nèi)對代工及封裝、測試環(huán)節(jié)的自主可控考慮更傾向于選擇大陸測試廠商。國內(nèi)IC設計企業(yè)在與境外測試廠商包括代工廠商對接過程中存在著運輸和溝通對接成本高的問題，同時，基于國內(nèi)對于晶圓代工及封裝、測試環(huán)節(jié)的自主可控考慮，在國內(nèi)能提供專業(yè)IC測試服務的情況下，設計廠商更傾向于選擇大陸測試廠商，而其中潛在的市場規(guī)模至2020年可達300億元。4.依賴化目前國內(nèi)IC生產(chǎn)線中的中、高檔的測試系統(tǒng)仍以依賴國外進口為主,基本上尚無國產(chǎn)中、高檔的半導體測試設備或是測試的生產(chǎn)線.其實問題的主要癥結(jié)，在于過去二十幾年以來,中國IC產(chǎn)業(yè)尚未成型，因此也沒有足夠可供以練兵或是刺激發(fā)展的客觀環(huán)境。目前國內(nèi)已經(jīng)裝配的IC生產(chǎn)線之測試系統(tǒng)，主要偏重在低檔數(shù)字測試系統(tǒng)、模擬及數(shù)字、模擬混合測試系統(tǒng)等，在中高檔測試能力部分目前仍十分薄弱，尚無法與國外業(yè)者相抗衡。但在國家的大力支持下,國產(chǎn)中、高檔測試系統(tǒng)已經(jīng)研制成功,目前正進入小批量生產(chǎn)階段.相信不久將逐步服務于國內(nèi)IC生產(chǎn)線中。1.3集成電路測試分類1.設計驗證又稱實驗室測試或特性測試，是在芯片進入量產(chǎn)之前，驗證設計是否正確，需要進行功能測試和物理驗證，以及可靠、老化實驗。2.過程工藝檢測即晶圓制造過程中的測試，需要對缺陷、膜厚、線寬、關(guān)鍵尺寸等進行檢測。3.晶圓測試（中測）通過對代工完成后的晶圓進行測試，目的是在劃片封裝前把壞的祼片（die）挑出來，以減少封裝和芯片成品測試成本，同時統(tǒng)計出晶圓上的管芯合格率、不合格管芯的確切位置和各類形式的合格率等，能直接反應晶圓制造良率、檢驗晶圓制造能力。4.芯片成品測試（成測）集成電路后道工序的劃片、鍵合、封裝及老化過程中都會損壞部分電路，所以在封裝、老化以后要按照測試規(guī)范對電路成品進行全面的電路性能檢測，目的是挑選出合格的成品，根據(jù)器件性能的參數(shù)指標分級，同時記錄各級的器件數(shù)和各種參數(shù)的統(tǒng)計分布情況；根據(jù)這些數(shù)據(jù)和信息，質(zhì)量管理部門監(jiān)督產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)管理部門控制電路的生產(chǎn)。1.4集成電路測試方法集成電路測試方法可分為一般測試和特殊測試，一般測試是將封裝后的芯片置于各種環(huán)境與要求下測試其電氣特性，如消耗功率、運行速度、耐壓度等。根據(jù)芯片的測試數(shù)據(jù)，將芯片的特性劃分為不同的等級。特殊測試那么是根據(jù)客戶提供的特殊需求技術(shù)參數(shù)，從相近參數(shù)規(guī)格、品種中拿出局部芯片，做有針對性的專門測試，根據(jù)得到的測試結(jié)果是否滿足客戶的特殊需求，如果不滿足，則需要設計特殊的客戶專用芯片。最后，給測試合格的產(chǎn)品貼上規(guī)格、型號及出廠日期等標識的標簽并加以包裝后即可出廠。測試數(shù)據(jù)不在測試方案所給出的范圍的芯片即為廢品。1.5本文研究內(nèi)容1.5.1課題意義集成電路測試專業(yè)化、規(guī)?；?、自主化是集成電路發(fā)展的必然趨勢，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是集成電路產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。首先，垂直分工的產(chǎn)業(yè)模式提升了整個產(chǎn)業(yè)的運作效率。其次，將相對輕資產(chǎn)的設計和重資產(chǎn)的制造及封測分離有利于各個環(huán)節(jié)集中研發(fā)投入，不僅加速了技術(shù)的發(fā)展，還降低了企業(yè)的準入門檻和運營成本。再者，整個過程都是由不同的廠商公司合作完成，增加了增強企業(yè)的專業(yè)性和生產(chǎn)流程的準確性。因此，專業(yè)測試從封測中分離既可以減少重復產(chǎn)能投資，又可以穩(wěn)定地為中小設計廠商提供專業(yè)化測試服務，以規(guī)模效應降低產(chǎn)品的測試費用，縮減產(chǎn)業(yè)成本。本課題主要是通過測試XT1871芯片的各方面功能是否達標，比如OS，靜態(tài)電流，輸出電壓，線性調(diào)整度，負載調(diào)整度等。一方面可以向客戶提供更完整的芯片功能鑒定，另一方面通過測試檢查芯片的不足之處與芯片設計工程師進行溝通調(diào)整，從而完善芯片。1.5.2研究內(nèi)容1.集成電路的基本知識。2.測試設備和測試方法。了解STS8200測試機的構(gòu)造及使用方法，熟悉測試環(huán)境（電源、負載、示波器、邏輯分析、函數(shù)發(fā)生器）；學會使用PADS、立創(chuàng)EDA軟件進行PCB板的設計；練習焊接技術(shù)。圖1.1課題研究流程4.產(chǎn)品測試需要在STS8200測試平臺上完成測試工作，對XT1871芯片功能的實現(xiàn)評估。5.問題分析對焊接、電路設計、PCB設計、實體搭建、參數(shù)辨識等，在測試的準備和過程中出現(xiàn)的問題進行分析。

2STS8200測試平臺本課題選擇基于STS8200的測試平臺進行測試，該系統(tǒng)能滿足“大模小數(shù)”類芯片測試需求。選擇該系統(tǒng)主要是考慮了本課題的測試規(guī)范和測試時的測試需求。2.1測試平臺概述STS8200系統(tǒng)的主要特點如下：1.PC機通過PCI總線接口卡控制和管理測試主機。2.人性化設計功能強大，軟件功能便捷。3.硬件模塊可以靈活配置，最大支持16工位同步并行測試。4.雙PC支持TWIN工作模式，兩測試站可獨立測試不同器件品種。5.長達3.5米的輸出電纜連接用戶板，四線開爾文連接方式及屏蔽措施保證被測器件端的測試精度和穩(wěn)定性。6.支持多種機械手、探針臺工作，提高測試效率。2.2測試系統(tǒng)硬件STS8200系統(tǒng)由PC機、系統(tǒng)總線接口卡、探針臺接口卡、測試主機、測試盒等構(gòu)成。圖2.1STS8200尺寸圖2.2.1PC機STS8200系統(tǒng)所用PC機的CPU達到2.4GHz，運行內(nèi)存1G，硬盤40G，1024*768彩色顯示器，2個以上的PCI插槽（用于插入系統(tǒng)總線的接口卡和探針臺的接口卡,乒乓測試模式一般占用3個PCI插槽）。PC機還必須裝有Windows7/XP/2000操作系統(tǒng)和VisualC++軟件。2.2.2總線接口卡總線接口卡IF8001置于PC內(nèi)，通過68芯電纜和測試主機進行連接，同時驅(qū)動上下兩個插件箱背板上的總線模塊（SM8001），以實現(xiàn)PC和測試主機之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和驅(qū)動。2.2.3測試主機測試主機主要由機柜、插件箱（背板總線卡）、電源單元、風扇單元、機外電纜及標準測試盒等幾部分構(gòu)成。2.3測試平臺軟件STS8200軟件的操作界面主要由以下程序及模塊組成：1.control.exe——系統(tǒng)控制中心。2.Testui.exe——測試操作界面。3.PGSEdit.dll——程序編輯工具。4.datalog.dll——數(shù)據(jù)保存模塊。5.check.dll——自檢模塊。6.dataAnalyse.exe——數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，分析及處理。7.STSCAL.exe——校準工具。8.StsDebug.exe——調(diào)試工具。此外還有一些與以上模塊相關(guān)的庫、配置文件及系統(tǒng)的硬件模塊驅(qū)動程序，這些共同組成了一個完整的測試系統(tǒng)軟件。圖2.2軟件測試流程2.3.1控制臺控制臺是系統(tǒng)的控制中心，它負責用戶的登錄、用戶的管理、測試操作界面的調(diào)入、各station對測試機請求的調(diào)度與分配以及自檢和校準等相關(guān)工具的調(diào)用。使用軟件系統(tǒng)首先需要啟動控制臺，即：control.exe。2.3.2啟動程序因為測試機是精密復雜的電子設備，必須要對使用人員加以控制，啟動control.exe后，首先需要用戶登錄，只有授權(quán)的用戶輸入正確的用戶名與密碼才可以使用系統(tǒng)。登錄成功后，系統(tǒng)會自動在右下角的托盤添加CONTROL程序的圖標。此時可以雙擊小圖標調(diào)出control.exe控制面板，或是右鍵點擊圖標使用菜單來操作。2.3.3啟動測試點擊StationA按鈕或StationB按鈕,或選擇相應右鍵菜單，則系統(tǒng)會自動調(diào)用testui.exe進入測試界面。2.3.4主界面主界面的功能主要是裝入測試程序，運行測試程序，顯示測試結(jié)果，進行分檔統(tǒng)計，數(shù)據(jù)保存，同時集成了程序編輯模塊與數(shù)據(jù)處理模塊的調(diào)用。2.3.5程序啟動由control.exe的面板或右鍵菜單啟動相應station的TESTUI.exe。2.3.6裝載測試程序點擊“Load”按鈕，從文件選擇窗口中選擇需要裝入的測試程序，點OK即可裝入。圖2.3顯示界面2.3.7執(zhí)行測試當程序裝入成功后，可以點擊“Text”進行單次的測試，或是點擊“Run”進行自動測試（前提是需要正確連接并選擇相應的驅(qū)動程序）。一次測試完成后，測試結(jié)果會在數(shù)據(jù)顯示面板上顯示出來。在自動測試進行中，點擊“Stop”可以中止自動測試過程。2.3.8數(shù)據(jù)顯示每一次測試完成后，結(jié)果都會在數(shù)據(jù)面板上顯示出來。顯示模式分為“Dmode”(詳細模式)、“Mmode”(多行模式)和“Binmode”（分檔顯示模式），可以切換到適合自己的方式來觀看測試數(shù)據(jù)。其中“Dmode”模式顯示的信息最為全面，是默認的顯示模式。

3DC-DC變換器DC-DC變換器是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容器構(gòu)成。DC-DC轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器（Boost）、降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器（Buck）以及升降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器（Buck-Boost）?？梢愿鶕?jù)需求選用。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。DC-DC轉(zhuǎn)換器廣泛應用于手機、MP3、數(shù)碼相機、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類型分類上屬于斬波電路。3.1Boost電路Boost升壓電路是六種基本斬波電路之一，是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以實現(xiàn)輸出電壓高于輸入電壓。主要應用于直流電動機傳動、單相功率因數(shù)校正（PFC）電路及其他交直流電源中。升壓型電路常使用于將較低的直流電壓變換為較高的直流電壓，如電池供電設備中的升壓電路，液晶背光電源等。當MOS管導通的時候，電感的正向伏秒為：Vin*Ton。當MOS管截止的時候，電感的正向伏秒為：(Vo-Vin)*(Ts-Ton)。所以Boost電路公式為Vo=Vin/(1-D)。圖3.1Boost電路原理圖開關(guān)導通時，電源通過開關(guān)與電感形成回路，電感電流線性上升，在通延時計時器時，電感的電流達到最大值，電感的儲能亦達到最大值。在開關(guān)閉合的這段時間內(nèi)，電容C為負載提供能量，等效電路如圖3.2所示。圖3.2Boos開關(guān)導通電路當開關(guān)關(guān)斷時，由于電感需要維持其電流，二極管導通，電感儲能向負載和電容釋放,這段時間電感電流線性下降，到下一個周期開關(guān)閉合時，電感電流達到最小值，等效電路如圖3.3所示。圖3.3Boos開關(guān)關(guān)斷電路3.2BUCK電路BUCK電路是一種降壓斬波器，通過震蕩電路將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電源，然后通過脈沖變壓器、整流濾波回路輸出需要的直流電壓，類似于開關(guān)電源。降壓變換器輸出電壓平均值UO總是小于輸出電壓UD。通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。當MOS管導通的時候，電感的正向伏秒為：Vin*Ton=（Vin-Vo）*Ts。當MOS管截止的時候，電感的正向伏秒為：Vo*Toff=Vo*(Ts-Ton)。根據(jù)電感伏秒平衡，可以得到BUCK電路公式為Vo=D*Vin。圖3.4BUCK電路當MOS管導通時，等效電路圖如圖左所示，此時MOS管導通，相當于短路，所以電源和電感直接相連，電源給電感充電的同時給輸出提供電壓，并給輸出電容充電，再回到電源負極；此時二極管反向截至。當MOS管關(guān)斷時，等效線路圖如圖右所示，此時MOS管關(guān)斷，相當于斷路，所以電源端斷開，電源不起作用；此時電感、輸出負載和二極管形成回路，電感給輸出提供電壓，同時輸出電容也能夠穩(wěn)定輸出電壓；此時二極管正向?qū)?，因此二極管的作用是電感續(xù)流時提供通路，所以稱之為續(xù)流二極管。3.3Buck-Boost電路即降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相反，通過電感傳輸。當MOS管導通的時候，電感的正向伏秒為：Vin*Ton。當MOS管截止的時候，電感的正向伏秒為：-Vo*(Ts-Ton)。所以Vo=-Vin*D/(1-D)極性相反，幅值可以是升壓也可以是降壓。

圖3.5Buck-Boost電路當功率管Q1閉合時，輸入端和電感L1直接接到電源兩端，此時電感電流逐漸上升。導通瞬態(tài)時di/dt變大，故此過程中主要由輸入電容CIN供電。輸出端COUT依靠自身的放電為RL提供能量。當功率管Q1關(guān)斷時，輸入端VIN給輸入電容充電。輸出端由于電感的電流不能突變，電感通過續(xù)流管D1給輸出電容COUT及負載RL供電。系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，電感伏秒守恒。Q1導通時，電感電壓等于輸入端電壓VIN，Q1關(guān)斷時，電感電壓等于輸出端電壓VOUT。3.4PWM（PFM）開關(guān)電源的控制技術(shù)主要有三種：脈沖寬度調(diào)制(PWM)；脈沖頻率調(diào)制(PFM)；脈沖寬度頻率調(diào)制(PWM-PFM)。PWM和PFM是兩大類DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，每種類型的性能特征都是不一樣的。如：1.重負載和輕負載時的效率2.負載調(diào)節(jié)3.設計復雜性4.EMI噪聲考慮PWM-PFM集成型轉(zhuǎn)換器設計方案可以整合這兩種操作模式，利用它們各自的優(yōu)勢來進行設計。PWM就是脈寬寬度調(diào)制，擁有固定的頻率振蕩器。它的驅(qū)動信號是恒定的頻率，具有可變的占空比（功率FET導通時間與總開關(guān)周期之比）。開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖3.6脈寬調(diào)制PFM是脈沖頻率調(diào)制是一種脈沖調(diào)制技術(shù)，它調(diào)制信號的頻率隨輸入信號幅值而變化，其占空比不變。調(diào)制信號通常為頻率變化的方波信號。PWM是頻率的寬和窄的變化，是利用波脈沖寬度控制輸出；PFM是頻率的有和無的變化，是利用脈沖的有無控制輸出。圖3.7脈沖頻率調(diào)制其中PWM是目前應用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點是噪音低、滿負載時效率高且能工作在連續(xù)導電模式，現(xiàn)在市場上有多款性能好、價格低的PWM集成芯片。PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點，但它沒有限流的功能也不能工作在連續(xù)的導電方式。PWM-PFM兼有PWM和PFM的優(yōu)點。與PWM相比，PFM的輸出電流小，但是因為PFM控制的DC-DC變換器在達到設定電壓以上時就會停止工作，所以消耗的電流就會變得很小。因此，消耗電流的減少可改進低負荷時的效率。PWM在低負荷時雖然效率不太高，但是因其紋波電壓小，且開關(guān)頻率固定，所以消除噪聲較簡單。PWM-PFM切換控制式DC-DC變換器是在重負荷時由PWM控制，低負荷時自動切換到PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時擁有PWM的優(yōu)點與PFM的優(yōu)點。在具有待機模式的系統(tǒng)中，采用PFM-PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。3.5XT1871芯片的介紹3.5.1概述XT1871芯片是一款低功耗高效率、低紋波、工作頻率高的PFM控制升壓DC-DC變換器。僅需要3個外部元器,即可完成低輸入的電池電壓輸入。3.5.2功能特性1.用途：1~3個干電池的電子設備，數(shù)碼相機、電子詞典；LED手電筒、LED燈；血壓計、MP3、遙控玩具；無線耳機、無線鼠標鍵盤、醫(yī)療器械；防丟器、汽車防盜器、充電器；VCR、PDA等手持電子設備。2.產(chǎn)品特點：（1）最高效率：94%。（2）最高工作頻率：300KHz。（3）低靜態(tài)電流：15μA。（4）輸出電壓：1.8V～5.0V（步進0.1V）。（5）輸出精度：±2.5%。（6）輸入電壓：0.9V～6.5V。（7）低紋波，低噪聲。（8）小體積封裝。3.5.3封裝三極管和二極管本身就是半導體芯片，它需要用塑料封裝起來才能使用。塑料封裝的形式多種多樣，該芯片采用SOT23-3L封裝，SOT-23是一種外觀封裝樣式，是SOP封裝的派生類別SOT（小外形晶體管）封裝類的封裝標準之一。封裝樣式與三極管的型號無關(guān)，同樣型號的三極管可以有多種封裝形式，但一般是小形貼片封裝。E尺寸為1.500~1.700；E1尺寸為2.650~2.950；D尺寸為2.820~3.020；b尺寸為0.300~0.500；e尺寸為0.950；e1尺寸為1.800~2.000。根據(jù)封裝尺寸圖進行PCB板中芯片模塊的設計。圖3.8SOT23-3L封裝尺寸圖3.5.4引腳XT1871芯片有三個引腳，分別是GND腳,LX腳以及VOUT腳。GND腳為接地端，LX腳為開關(guān)，VOUT腳為輸出端。1.引腳分布圖3.9XT1871引腳分布圖

2.引腳分配引腳分配如表3.1表述。表3.1XT1871引腳分配圖引腳號引腳名稱功能描述SOT23-3L1GND接地端2LX開關(guān)3VOUT輸出端

4測試方案的設計及驗證集成電路產(chǎn)品在進行設計和制造時需要一個完善的流程。一個有效的測試方案不僅能夠很大程度上提高集成電路的生產(chǎn)效率，還能夠確保生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)不出差錯。如果沒有一個良好的測試流程，產(chǎn)品批量生產(chǎn)中有很大概率會出現(xiàn)質(zhì)量不達標的狀況。4.1測試電路設計4.1.1測試電路工作原理本課題DC-DC升壓芯片使用電路為Boost升壓電路。圖4.1Boost電路典型架構(gòu)圖4.1為Boost電路典型架構(gòu)，由電源、電感、MOS管、二極管、輸出電容組成。電感是儲能元件，可以儲存能量，在合適的時候為電路提供能量。該電路有兩種工作模式，對應MOS管開、關(guān)兩種狀態(tài)，左圖是MOS管打開的等效電路，右圖是MOS管關(guān)斷的等效電路。當MOS管打開時，電路相當于短路。如左圖，電感右端直接接到GND，也就是電源負極。所以此時電源僅給電感充電，輸出電壓由輸出電容提供電壓，電容兩端電壓即輸出電壓，所以輸出電容是必不可少的。當MOS管關(guān)斷時，電路相當于斷路，電路組成為電源接電感，通過續(xù)流二極管給輸出供電，同時給輸出電容充電。這個時候電感是放電過程，所以電源電壓加上電感電壓等于輸出電壓，從而達到升壓的目的。4.1.2測試電路圖根據(jù)Boost升壓電路工作原理以及XT1871芯片測試參數(shù)繪制出測試電路圖，如圖4.2所示。該測試電路主要由電源、電感、MOS管、二極管、輸出電容組成。圖4.2XT1871芯片測試電路圖4.2芯片測試電路驗證測試電路驗證是根據(jù)芯片的測試電路，使用立創(chuàng)EDA軟件繪制PCB板，再通過示波器、負載電源等儀器進行驗證測試。立創(chuàng)EDA英文全稱為ElectronicsDesignAutomation，是一款基于瀏覽器的電子設計自動化工具。XT1871測試電路試驗PCB板版圖如圖4.3所示。圖4.3XT1871試驗PCB板版圖

圖4.4PCB板焊接實物圖1.啟動電壓測試測試條件為負載=1mA，啟動電壓測試結(jié)果如表4.1表述。表4.1啟動電壓123UNITV5V2.輸出電壓VOUT測試測試條件：ILoad=10mA,VIN=1.5V,輸出電壓測試結(jié)果如表4.2表述。表4.2輸出電壓123UNITVOUT4.8904.9454.975V3.電路工作電流測試測試條件:IOUT=0mA，電路工作電流測試結(jié)果如表4.3表述。表4.3電路工作電流Vin123UNIT1.0uA1.520.120.520.52.016.013.315.615.44.靜態(tài)電流測試測試條件:Vout=6.0V(不加電感)，靜態(tài)電流測試結(jié)果如表4.4表述。表4.4靜態(tài)電流123UNITIDDuA5.芯片工作電流測試測試條件:Vout=3.0、4.0V(不加電感)，芯片工作電流測試結(jié)果如表4.5表述。表4.5工作電流123UNIT3.0175.1180.6176.3uA4.01109.01182.11919.36.負載調(diào)整度測試是指輸出電壓隨負載變化的波動，條件是輸入為額定電壓2.5V和3.0V。電源負載的變化會引起電源輸出的變化,負載增加輸出會降低。相反，負載減少輸出升高。一般電源負載變化引起的輸出變化會減到最低,通常范圍為3%~5%。觀察萬用表，記下輸出電壓最大和最小值，利用公式求得負載調(diào)整率。

負載調(diào)整度測試結(jié)果如表4.6、表4.7表述。表4.6負載調(diào)整度，VIN=2.5VIload(mA)123UNIT14.7424.7344.745V104.7294.7284.678204.7124.7224.634304.6754.6554.613404.6384.6354.595604.5584.3424.337804.2414.3184.3101004.2204.2964.2851204.1994.2774.261調(diào)整度（1-100）11.69.710.2%

表4.7負載調(diào)整度，VIN=3.0VIload(mA)123UNIT14.7714.9134.721V104.7384.8434.717204.7104.8214.707304.6904.8104.696404.6704.7864.681604.6244.5944.666804.5674.6004.6711004.5124.6144.6841204.5234.6294.6871504.5424.6644.7452004.4894.6564.743調(diào)整度（1-100）5.586.270.79%7.線性調(diào)整度測試ILoad=30mA，在輸入電壓全范圍內(nèi)測量輸出電壓，觀察示波器及萬用表，記下輸入電壓全范圍變化時的輸出電壓最大值和最小值，利用公式求得線性調(diào)整度。線性調(diào)整度測試結(jié)果如表4.8表述。表4.8線性調(diào)整度Vin123UNIT1.84.8574.3554.3482.04.5404.4824.4472.24.5964.5494.5402.54.6614.6424.6052.84.6624.7004.6423.04.6884.8094.6973.24.7254.8554.7233.54.9094.9214.901調(diào)整度4.926.666.51%由測試數(shù)據(jù)可得，芯片測試電路設計可行。4.3PCB板設計4.3.1PADS軟件PADS是一款制作PCB板的軟件。PADS包括PADSLogic、PADSLayout和PADSRouter。PADSLayout（PowerPCB）提供了與其他PCB設計軟件、CAM加工軟件、機械設計軟件的接口，方便在不同設計環(huán)境下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳遞工作。4.3.2PCB板版圖設計在電子電路設計中，PCB板是設計內(nèi)容的物理載體，所有設計意圖的最終實現(xiàn)都是需要通過PCB板來表現(xiàn)的，PCB設計在任何項目中都是不可缺少的一個環(huán)節(jié)。在PCB設計中主要注意幾點：功能的實現(xiàn)；性能的穩(wěn)定；加工的簡易；單板的美觀。1.PCB板版圖布局XT1871板版圖是基于STS8200測試平臺所設計的。板圖布局如圖4.5所示。圖4.5XT1871PCB板版圖布局2.PCB板圖模塊（1）64PIN插槽因為測試時需要通過杜邦線將測試板與測試機連接起來，因此測試板上需要一個64PIN插槽。圖4.664PIN插槽（2）繼電器繼電器是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（輸入回路）和被控制系統(tǒng)（輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。圖4.7繼電器

4.3.3PCB板焊接PCB板版圖繪制好后，經(jīng)過工廠打板后將元器件焊接上去。圖4.8右圖為未焊接實物圖，左圖為焊接后實物圖。圖4.8XT1871PCB板實物圖4.4程序設計測試程序是基于STS8200編程手冊進行編寫，主要內(nèi)容為需要測試的測試項目。測試項目指標如表4.9表述。表4.9測試項目和指標編號測試項目下限上限單位1靜態(tài)電流VIN=VOUT+0.5V411uA2輸出電壓AVIN=(VOUT-1)V,IL=1mAVOUT*0.98VOUT*1.02V3輸出電壓BVIN=(VOUT-0.5)V,IL=1mAVOUT*0.97VOUT*1.03V4輸出電壓CVIN=(VOUT-1)V,IL=30mAVOUT*0.97VOUT*1.03V5線性調(diào)整度VOUT1-VOUT2-5050mV6負載調(diào)整度VOUT1-VOUT3-5050mV4.4.1測試程序框圖測試程序框圖如圖4.9所示。圖4.9測試程序框圖4.4.2引腳程序圖4.10程序是定義芯片三個引腳的通道端口，0,1,2分別為三個引腳在64PIN插槽中通道FOVI_SH0、FOVI_SH1、FOVI_SH3三個信號定義口。圖4.10引腳模塊程序4.4.3清源程序清源程序如圖4.11所示。給LX,VIN,VOUT端口供電，檔位為電壓10V電流10mA，打開端口清零。在1秒之后將端口關(guān)閉。再延時1秒后繼電器關(guān)閉，清源完成。清源的作用是防止串源，目的主要是防止本次測試影響下一個測試項目的測試。

圖4.11清源程序4.4.4OS測試程序1.OS_LX測試程序OS_LX測試程序如圖4.12所示。打開繼電器兩個控制端口7,9，切掉繼電器。延時5秒。LX端口抽掉500uA的電流，檔位為電壓2V、電流1mA。LX通道端口打開，延時2秒，開始采樣測試OS_LX，采樣次數(shù)為10秒內(nèi)采樣20次。圖4.12OS_LX測試程序2.OS_VOUT測試程序OS_VOUT測試程序如圖4.13所示。輸出端口抽掉300uA的電流，檔位為電壓2V、電流1mA。VOUT通道端口打開，延時2秒，開始采樣測試OS_VOUT，采樣次數(shù)為10秒內(nèi)采樣20次。圖4.13OS_VOUT測試程序4.4.5電流電壓測試程序1.靜態(tài)電流測試靜態(tài)電流測試程序如圖4.14所示。打開繼電器兩個控制端口，切掉繼電器。延時3秒，輸入端口供給3V的電壓，加電壓測試電流。檔位為電壓10V、電流1mA，VIN通道端口打開，延時5秒，開始采樣測試ISS。采樣次數(shù)為10秒內(nèi)采樣10次。圖4.14ISS測試程序2.輸出電壓測試（1）VOUT_A測試VOUT_A測試程序如圖4.15所示。打開繼電器控制端口，切掉繼電器。延時1秒，輸入端口供給1.5V的電壓，加電壓測試電流。檔位為電壓5V、電流100mA，VIN通道端口打開，延時10秒后輸出端口抽掉1mA的電流，抽電流測試電壓。檔位為電壓5V、電流100mA，VOUT通道端口打開，延時20秒后開始測試VOUT_A。采樣次數(shù)為50秒內(nèi)采樣100次。圖4.15VOUT_A測試程序（2）VOUT_B測試VOUT_B測試程序如圖4.16所示。打開繼電器控制端口，切掉繼電器。延時5秒，輸入端口供給2V的電壓，加電壓測試電流。檔位為電壓5V、電流100mA，VIN通道端口打開，延時20秒后輸出端口抽掉1mA的電流，抽電流測試電壓。檔位為電壓5V、電流100mA，VOUT通道端口打開，延時20秒后開始測試VOUT_B。采樣次數(shù)為80秒內(nèi)采樣100次。圖4.16VOUT_B測試程序（3）VOUT_C測試VOUT_C測試程序如圖4.17所示。輸出端口抽掉5mA的電流，抽電流測試電壓。檔位為電壓5V、電流100mA，VOUT通道端口打開，延時20秒后輸出端口再抽掉15mA的電流，檔位為電壓5V、電流100mA，VOUT通道端口打開。延時50秒，輸出端口抽掉30mA的電流，檔位為電壓5V、電流100mA，VOUT通道端口打開。延時50秒后開始測試VOUT_C，采樣次數(shù)為100秒內(nèi)采樣100次。因為VOUT_C所抽取的電流是所有測試輸出電壓里最多的，所以所抽取的電流要從小到大慢慢抽，不然可能會損害芯片。圖4.17VOUT_C測試程序4.4.6線性調(diào)整度測試程序線性調(diào)整度程