利用反向驱动电流检测技术提高在线测试性能

在线测试仪(ICT)作为一种检测设备广泛应用于线路板组装过程中，这种测试方法的关键技术就在于元器件隔离，即当对某个元件进行测试时不能受其它相连元件的影响。本文介绍一种反向驱动电流检测技术，可提高元件隔离的可靠性，同时防止在隔离过程中对元件造成损伤或误判。

在线测试仪采用针床夹具接触印制线路板上的每个节点，然后将每个元件单独隔离起来进行测试，就好像它是PCB上唯一的元件一样。如果每一个元件都测试通过，就可以认为这块板没有装配缺陷并具有正常的应用功能，这一测试策略之所以可行是因为测试仪使用的技术可以使被测元件周围的元件不会对其产生电性影响。

数字隔离技术

图1是一个数字电路的例子，其中U8为被测元件，测试仪在U8的输入引脚施加一系列数字测试向量，然后在输出引脚处进行测量以确认功能正常。

为保证测试仪能够驱动U8输入脚达到所需逻辑状态，数字引脚驱动器应设计为低阻抗电流源，典型状态下能输出或吸收600mA或更大电流，该电流源可以立刻使节点达到测试所需的逻辑电平。这种短时间过度激励元件输出使一个节点变为反向逻辑状态的技术通常称为反向驱动。

在图1当中，若N1或N2为逻辑低电平，那么U3的输出将使N8也为低电平。如果在测试U8时测试仪要求引脚4为高电平，则连在节点N8上的驱动器就应在短时内输出足够的电流对U3输出提供反向驱动，这样U8的引脚4就获得了逻辑高电平。

◆禁止 为了避免总线冲突和减少反向驱动，在线测试仪使用一种称为“禁止”的技术。在图1中，U5的输出可由一个使能信号来控制，给节点N9一个低电平将使U5输出为高阻状态，从而有效地将它断开，这样就不会和U8的引脚16输出相冲突。

禁止技术在驱动元件输入引脚时也能有效消除对反向驱动输出的要求。再看图1，U1输出可由一个使能信号进行控制，给节点N6一个高电平将使U1输出为高阻状态，相当于将U1从电路中取走。禁止U1之后，测试仪在施加测试向量到U8引脚11时，节点N7上的驱动器就无需再施加任何反向驱动电流了。

但这一技术只能用于具有三态逻辑输出的器件，不能断开像图中U2和U3这类两态逻辑输出器件，因为这类器件的输出只有两种状态，要末高电平，要末低电平。

◆抑制 在图1中，如果N1和N2为高电平，N8将因U3的输出置为逻辑高电平。在测试U8时，任何施加于N8的测试向量如果为低电平，都会要求测试仪驱动器在短时间内提供大量电流使得节点N8变低。节点N1和N2中任一个逻辑状态从高电平转变为低电平后U3输出也将会由高变为低，如果这是在输出受到反向驱动时发生，那么用于对输出进行反向驱动的电流就不需要了，它将在受反向驱动的节点处以瞬态电压脉冲形式耗散掉。

如果瞬态电压脉冲的幅度大到超过规定的电压值，就会损伤节点上的器件，而更严重的是瞬态电压会使被测器件表现为一个短暂的逻辑状态转换，从而使被测器件判为失效。

为防止这一情况发生，在线测试仪使用了一种称为“抑制”的技术。图1中在U8测试的时候会驱动节点N1为低电平，避免U3输出改变状态，这样可使U3输出保持为低电平，并在U8进行测试时状态不发生改变。

通过对连接电路进行分析以及在多个层次上使用禁止和抑制技术，测试仪可以将被测元件隔离开来，大大减少板上电路的干扰，从而施加更加全面的测试信号。这些隔离技术提高了在线数字测试的精度、稳定性和重复性，在生产测试中能得到准确的结果。

反向驱动有害吗？

在线测试应用反向驱动已有二十多年了，但也一直存在着争论，这是因为反向驱动常常造成电流超过元件的额定值。一些业界的研究证明，反向驱动技术使用不当会对数字元件产生过大的压力或者引起永久性损害。反向驱动造成的失效可分为两类：

◆热失效 受到反向驱动的元件上面流过的电流会提高元件输出节点和焊线的温度，温度升高与多个变量有关，包括电流大小、持续时间、元件封装和所用技术等。当元件内连在一个焊接线路上的多个输出脚同时被反向驱动为一种逻辑状态时，该线路的温度就会上升到很高，这种情况下一个IC的最大安全反向驱动时间是受驱动输出的数量和电流总量的函数。

如果反向驱动产生的电流使焊线温度升至它的熔点以上，就会使焊线失效。此外，重复的电流脉冲即使不使引线温度升至熔点之上也仍然会使其产生疲劳，导致潜在缺陷和早期失效。

◆晶体管闭锁 在一些数字元件(主要是CMOS元件)引脚上施加大于元件“安全值”的电压将会使晶体管处于大电流甚至是破坏状态，当一个被反向驱动的输出突然改变逻辑状态时，会产生触发闭锁状态的过压或欠压。

防止反向驱动问题

为防止反向驱动造成可能的损伤，在线测试仪使用了下面一些方式：

◆电流回馈 一些在线测试仪具有固定电流回馈电路，限制驱动器在整个测试时间内施加反向驱动电流的总量，这一内置的硬件保护可确保受到反向驱动的IC焊线没有足够的时间达到受损温度。

◆测试时间限制 一些在线测试仪装有可以控制最大测试时间的可编程定时器，这种方法可作为一种附加的保护限制反向驱动的时间。由于对测试时间进行了限制，所以反向驱动产生的热应力可保持在元件运行的安全范围内。

◆自动冷却延迟 元件引脚应力过大不只是因为某次测试时间太长，也可能因为一系列测试都在同一节点进行。例如有一个元件输出脚要驱动10个不同元件的输入脚，该输出脚在这10个元件进行测试时都将受到反向驱动，如果这10个元件依次连着进行测试，则该输出脚上的反向驱动应力将超过其额定值。

为防止这种情况导致输出引脚应力过大，一些测试仪在每次数字测试之间插入一段自动冷却延迟时间，它保证了引脚驱动器的占空比不超过10%，即驱动时间不超过整个测试时间的10%。

◆反驱动预分析 一些在线测试仪使用了反向驱动预分析软件，该软件对元件型号、电路连接和元件使用技术等进行综合考虑，预测出元件在每次测试时将承受的反向驱动电流应力，并对反向驱动应力超过预定阈值的测试提前进行报告。

出错原因

正确运用这些技术能消除反向驱动可能会对元件造成的应力，然而在有些情况下，上述技术常常无法有效地工作。

◆禁止不完全或有遗漏 由于电子市场变化迅速以及定制数字元件使用的增长，使得测试设备供应商和测试技术开发人员很难使他们的元件库能根据最新型号元件进行更新。由于这一原因，许多测试技术开发人员都被迫使用不完整及未经认证的元件型号，或者只好选择不需要元件型号的那种不彻底的非矢量测试技术。

在元件型号不完全或没有的情况下，在线测试仪软件缺少所需资料对周围元件实施正确的禁止和抑制。即使能提供完整的元件型号资料，有时候电路的布线配置还是会使禁止和抑制无法正确实施。这样就有可能在没有适当隔离的情况下进行测试，导致一些元件的引脚产生过量反向驱动并可能在某些元件引脚上出现瞬态电压。

◆PCB有故障 在线测试仪使用的反向驱动保护特性在测试没有故障的PCB时能正常工作，但是第一次进行测试的PCB很可能是有故障的，下面看一下PCB故障状态如何影响反向驱动保护特性。

在图1的数字电路中，对U8进行测试时有许多故障情形都会产生异常反向驱动，例如：

1．节点N6开路或U1内部有缺陷都会使U1输出始终处于使能状态；

2．U3可能被一个逻辑功能相同但电气特性不同的元件替换；

3．U2输出晶体管的内部故障使得输出电流大于正常值；

4．测试探针与PCB上其它节点发生短路引起测试仪驱动器的反向驱动电流大于正常值。

传统的在线测试仪一般检测不到这4种故障状态，因为连在故障节点上的驱动器会补偿反向驱动电流以克服故障，获得所需的编程电压，从而掩盖了故障缺陷，而测试操作员根本就不知道还需要比正常值大的反向驱动电流来克服这些故障状态。

◆反向驱动预测不准确 用以预测反向驱动电流的软件首先假设所有禁止和抑制都工作正常并且PCB上没有故障，当这些假设不成立时它就不能精确地预测出反向驱动电流；另外仅仅因为元件与元件之间输出电流特性方面存在差异也会导致反向驱动预测软件分析不准确。

反向驱动检测

新一代在线测试技术可以测量和报告实际反向驱动电流值和施加时间，这种技术使测试程序开发人员能更清楚地看到每次测试的反向驱动电流大小，并使他们可以设置反向驱动电流阈值以便在生产测试中检测出其它故障。

◆反向驱动电流检测 新型引脚驱动器电路技术包括了能指示反向驱动电流幅值的电流检测电路，它可以实时监测驱动器所需电流的大小以使被驱动PCB节点达到所设置的电压。

◆可编程反向驱动电流/时间限制 新型引脚驱动器技术还配了一个定时器，监测驱动器输出超过规定反向驱动电流值的时间长度，这样当节点电流值和时间超出设置人员认为正常的阈值时在线测试仪能够立即动作，切断反向驱动电流。

反向驱动电流阈值可设定为50mA到600mA，反向驱动时间可设为750ns到23ms，反向驱动时间监测电路的分辨率使测试仪可以检测到短至一个测试向量的反向驱动状态。

下面的例句显示连在节点N8上的驱动器如何编程使得在反向驱动电流施加时间大于750ns时防止它大于150mA：

ASSIGN LGC LVLA(N8) VIHA=3.0 VILA=0.2 BDIA=150M BDIT=750N

如果测试过程中超过反向驱动极限，测试仪将停止测试并报告超出设置阈值的驱动器和PCB节点。

新方法的优点

这种新型引脚驱动器技术的优点包括：

◆反向驱动报告准确，测试更加可靠 因为这种新方法测量的是真实工作条件下的反向驱动电流和时间，比之用元件型号资料来预测反向驱动电流的软件技术更为精确，操作者可以相信使用这一新方法所报告的反向驱动信息是可靠的。

使用软件很容易分析测试中每个引脚驱动器使用的反向驱动电流量，并以报告形式给出信息(如图2)。该报告能很快告诉编程人员哪一个引脚驱动器使用了过量的反向驱动电流，编程人员然后就可利用这一信息来增加或修正被遗漏或有缺陷的隔离信息。

在将测试程序用于生产之前消除不必要的反向驱动可以减少PCB元件的应力，提高测试程序可靠性。

◆测试程序开发更加简化 由于开发人员不需要在他们的元件库中保持反向驱动状态信息或者运行额外的软件来预测元件反向驱动电流理论值，所以测试程序开发工作简化多了。

◆可以设置反向驱动阈值 不像以前在线引脚技术中连线反向驱动电流要受引脚驱动器设计的限制，新型引脚驱动器技术的反向驱动电流和时间阈值可以按引脚、测试分别进行设置，这样可以使测试编程人员对敏感元件节点设置独立的反向驱动阈值，而不必顾及非敏感元件节点。

◆增加故障检测 由于新型引脚驱动器技术既可以测量反向驱动特性又可对它进行编程，因此可以在一块已知的好板上测量反向驱动电流，然后根据测量值来设置反向驱动电流阈值。

这样测试仪就可以检测到上文提及一般检测不到的故障状态，包括：

1．有故障元件控制信号。

2．零件错误，虽然逻辑功能相同但输出电流能力不同。

3．晶体管输出故障，输出电流大于正常值。

4．测试探针与其它节点短路。

这些故障之所以可检测到是因为故障板上的反向驱动电流特性与好板上的反向驱动电流特性不同，软件检测到故障板所需的反向驱动电流要比无故障板大得多。

◆测试生产率更高 只有在对同一节点进行连续测试并且该节点在第一次测试时确实处于反向驱动的情况下，才需要用到冷却延迟将反向驱动占空比限制为10%或更少。

过去的引脚处理技术无法判定节点在第一次测试时是否处于实际反向驱动状态，所以执行下一次测试之前软件会无条件等待；新的引脚处理技术很好地利用了已有的反向驱动信息，软件能够判定公共节点在第一次测试时是否处于反向驱动状态。如果公共节点没有受到反向驱动，软件就立即进行下一个测试而不用等待冷却时间，从而提高了数字测试的整体生产率。

本文小结

新一代在线数字引脚电子技术能准确测量反向驱动电流、检测其它PCB故障、提高测试可靠性、减少元件反向驱动应力、简化测试程序生成并提高线路测试的生产率。

作者：Alan Albee