在不那么可靠的世界中设计可靠的模拟电路

模拟与一切产品相关。如果不是供货商在过去几十年中开发出众多模拟和混合信号元器件，让如此众多产业领域突飞猛进的数字“革命”就无法付诸实现。

如果没有同样致力于可靠性的付出就无法出现这些进步，可靠性是指系统或系统元件在指定时间内，以所述条件无故障执行其预期功能的可能性。

半导体行业无它途可循，只能提高其设计和制造的可靠性，尤其是在与安全攸关的市场中。例如，考虑到某些汽车制造商现在要求芯片能够在汽车和卡车中零缺陷使用 18 年，这代表了某些最严苛的应用条件。在某些工业应用中，更换传感器非常困难，必须消除零件级维修，因此芯片需要使用 20 年或更长时间。

可靠性设计

  图 1: “浴缸曲线”（蓝色，上部实线）是早期失效降低概率（红色虚线）和磨损失效概率增加（黄色虚线）以及随机失效常数（绿色，下部实线）的组合。（来源：维基百科，公共领域）。

可靠性问题的主要原因包括设计复杂性、容易出错的流程以及评估稳健性的验证有限。涉及的机制可能是物理、化学、电气、热或其他导致故障的过程。

问题根源之一是CMOS 尺寸缩小技术的发展——需要在功耗更低的更小、更快速芯片中增加功能。虽然缩小有助于高集成度混合信号系统的设计，但也带来了可靠性挑战：缩小模拟电路与缩小数字芯片的方式不同。一般而言，极先进节点不会对设计中模拟部分的晶体管产生重大影响。

在本文中，我们将从模拟设计和保护控制 IC 的角度检查可靠性。模拟需要采用的方法不同，它需要让设计人员能在没有设计工具大力协助的情况下解决问题。模拟设计相对缺乏自动化，需要依靠设计人员和设计团队的经验来实现高质量和高性能，这就为他们增加了额外的负担。

必须将可靠性纳入整个开发周期已成为公认的做法。这就是所谓的可靠性设计 (DFR)，通常从概念设计初期就开始，一直到产品被淘汰为止，以确保在产品整个生命周期中都能完全满足客户期望。DFR 可以根据发现问题的测试和用于可靠性预测的统计分析方法，在生产推行之前设计或缓解潜在的故障模式。

此阶段的可靠性工程通过冗余、内置测试和高级诊断等措施寻求提高系统稳健性。分立的模拟组件参数往往会随时间漂移；环境影响（腐蚀、振动和温度）也会产生问题。在整个产品或系统生命周期内，都可以在组件、子系统和系统层级进行可靠性测试。

系统保护

由于设备故障或外界干扰，电网络内部会发生故障。但是，通过在系统中实施适当的电路保护，可以通过在网络内部建立开路以隔离电气故障等方式来预防灾难。这些保护系统可感测由于电气故障引起的电压和电流。

模拟输出电路保护涵盖多种情况。了解环境和应用可帮助工程师决定应采取什么措施以及采取多少措施来保护模拟输出。

要防止常见电路故障（例如正向/反向电压/电流保护），MAX17608/09/10 可调过压和过流保护器等零件非常适合保护系统免受正负输入电压故障的影响。可调输入过压保护范围为 5.5V 至 60V，可调输入欠压保护范围为 4.5V 至 59V。输入过压锁定 (OVLO) 和欠压锁定 (UVLO) 阈值使用外部电阻器来设置。

这些器件具有高达 1A 的可编程限流保护功能，因此可在启动时控制浪涌电流，同时为输出端的大电容充电。

MAX17608 和 MAX17610 可阻止电流从 OUT 流向 IN，而 MAX17609 则允许电流反向流动。这些器件具有过热关断保护功能，可防止功耗过大。它们采用小型 12 引脚 (3mm x 3mm) TDFN-EP 封装。

  图 2:  MAX17608/09 典型工作电路  (来源: Maxim)

可靠性监控

为确保将故障率维持在最低水平，应在加速条件下监控从主要晶圆厂和组装工序中出货的代表性器件的可靠性。样品尺寸可能会有所不同，但每个系列通常有几百个（或更多）器件，依各种环境压力区分。然后，可在定期发布的报告中更新结果。

用于保护和互连 IC 的封装也必须是可靠性保证链的一部分。封装通常由导电合金引线框制成，可容纳一个或多个 IC 晶片，并提供将其连接到引线框的某种机制，例如倒装芯片、直接晶片安装或金属接线。引线框架组件用各种材料（例如环氧树脂或陶瓷）封装，以保护 IC 引线框架组件并提供机械稳定性。

封装完整性测试可验证产品的进货质量是否符合当前的合格标准。例如，超声波测试是一种灵敏的非破坏性技术，可以发现封装气隙、内部接口分离和裂缝。可以使用 JEDEC J-STD-020 等标准来确定非密封固态表面贴装器件 (SMD) 的湿敏性分类等级。该程序可以防止焊接作业过程中潮湿引起的应力造成的潜在损坏。

其他预处理应力用于模拟在高温和最大工作电压下的典型器件性能。对于所有故障，都应分析故障原因。此分析的结果可用于制定纠正措施，以消除发现的故障机制。

在不同读取点对器件进行电气测试，以在加速条件下确定器件最初以及长期使用期间的性能。器件应需要在整个电压和温度范围符合所有数据表的规格。

Maxim 会监控从生产中交付的代表性器件的可靠性。要了解有关公司的可靠性监控程序 (RMP) 的更多信息，请访问： https://www.maximintegrated.com/en/support/qa-reliability/reliability/reliability-monitor-program.html