了解制造商如何表征和估計(jì)用于電子元件老化預(yù)測(cè)的電壓參考的長(zhǎng)期漂移（LTD）。

雖然電壓參考的輸出在理想情況下應(yīng)該與溫度和時(shí)間無(wú)關(guān)，但現(xiàn)實(shí)世界的電壓參考可能會(huì)受到溫度和老化的影響?？紤]到這一點(diǎn)，本文將討論制造商如何表征和估計(jì)電壓參考的LTD。為了更好地為本文做好準(zhǔn)備，閱讀之前的文章以了解石英晶體、電阻器和放大器的老化效應(yīng)可能很重要。

電壓基準(zhǔn)的老化效應(yīng)

總的來(lái)說(shuō)，電壓基準(zhǔn)的輸出會(huì)隨時(shí)間而變化。通常，半導(dǎo)體材料的摻雜水平和封裝材料施加到電壓參考管芯的物理應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間變化，導(dǎo)致電壓參考輸出中的LTD。電壓參考的LTD定義如下：

解釋：

Vout，t0是將設(shè)備焊接到PC板后的初始輸出電壓

Vout，tn是運(yùn)行n小時(shí)后的輸出電壓

圖1顯示了從ADI公司的五個(gè)典型帶隙基準(zhǔn)樣品中收集的LTD數(shù)據(jù)。

LTD數(shù)據(jù)來(lái)自五個(gè)樣本。

圖1。LTD數(shù)據(jù)來(lái)自五個(gè)樣本。圖片由ADI公司提供

在這種情況下，測(cè)試在50°C的環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行1000小時(shí)。請(qǐng)注意，LTD在數(shù)據(jù)表中被指定為典型值，零件之間的差異可能很大。

Arrhenius方程與電壓基準(zhǔn)老化預(yù)測(cè)

任何電子元件的真正老化只能通過(guò)在最終應(yīng)用的條件下在所需的壽命內(nèi)操作來(lái)測(cè)量，在某些應(yīng)用中，壽命可能長(zhǎng)達(dá)10-25年。這是不切實(shí)際的。

對(duì)于一些電子元件，如電阻器和石英晶體，制造商使用加速老化過(guò)程，該過(guò)程涉及在比設(shè)備正常工作溫度高得多的溫度下檢查設(shè)備1000小時(shí)的時(shí)間。這些基于Arrhenius定律或方程的高溫加速老化測(cè)試可用于估算更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的器件漂移。

在電壓參考的情況下，高溫加速老化方法會(huì)導(dǎo)致對(duì)老化過(guò)程的錯(cuò)誤樂(lè)觀預(yù)測(cè)。這就是為什么德州儀器（TI）、凌力爾特（Linear Technology）和Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司的一部分）等主要芯片制造商通常在參考電壓的標(biāo)稱(chēng)工作溫度下測(cè)試器件老化，并避免使用基于Arrhenius方程的方法。

超出記錄測(cè)試時(shí)間的電子元件老化效應(yīng)

不同的芯片制造商可能會(huì)提供其電壓參考在不同測(cè)試持續(xù)時(shí)間內(nèi)的老化數(shù)據(jù)。例如，如圖2所示，TI提供了REF50xx在4000小時(shí)內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

REF50xx的LTD數(shù)據(jù)。

圖2:REF50xx的LTD數(shù)據(jù)。圖片由TI提供

現(xiàn)在要問(wèn)的問(wèn)題是，我們?nèi)绾喂烙?jì)超出規(guī)定測(cè)試時(shí)間的老化效應(yīng)？電壓基準(zhǔn)的老化效應(yīng)是時(shí)間的非線(xiàn)性函數(shù)，假設(shè)與電路工作時(shí)間的平方根成正比。具有1000小時(shí)的LTD值，任意操作時(shí)間t后的LTD可以用方程式1估算：

方程式1。

其中t以小時(shí)為單位。例如，假設(shè)REF50xx的1000小時(shí)LTD為25ppm，我們可以預(yù)期8000小時(shí)后LTD的典型值為70ppm。圖3將上述方程獲得的曲線(xiàn)與在35°C下收集的一年（8760小時(shí)）的REF50xx LTD數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

使用方程式1和REF50xx LTD數(shù)據(jù)的比較圖。

圖3。使用方程式1和REF50xx LTD數(shù)據(jù)的比較圖。圖片由TI提供

注意，在大約4000小時(shí)后，從方程中獲得的值大于從測(cè)量中獲得的典型值。方程式1是老化行為的簡(jiǎn)單模型，僅給出了實(shí)際性能的估計(jì)。老化效應(yīng)是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，不同的電壓參考在穩(wěn)定到其最終LTD值時(shí)可能表現(xiàn)不同。方程式1允許我們估計(jì)設(shè)備在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的性能；然而，我們應(yīng)該注意到，這個(gè)簡(jiǎn)單的方程不能精確地模擬電壓基準(zhǔn)的復(fù)雜老化行為。

長(zhǎng)期漂移：塑料與陶瓷封裝的電壓參考

電壓基準(zhǔn)的LTD性能受到包裝材料機(jī)械應(yīng)力的顯著影響。內(nèi)置于較大封裝中的相同電壓參考管芯可以提供較低的LTD。圖4顯示了將REF34管芯放置在相對(duì)較大的VSSOP封裝中如何優(yōu)于與SOT23封裝相同的設(shè)計(jì)。

圖4。圖片由TI提供

此外，陶瓷封裝中的電壓基準(zhǔn)通常比塑料型封裝具有更好的LTD性能。這一優(yōu)勢(shì)是因?yàn)樘沾煞庋b使用不同的化合物和組裝技術(shù)，導(dǎo)致組裝后的彎曲程度遠(yuǎn)低于塑料封裝。圖5和圖6分別展示了內(nèi)置于塑料封裝中的MAX6070和陶瓷封裝中的MAX6079的LTD曲線(xiàn)。

圖5。MAX6070在塑料包裝中的LTD曲線(xiàn)。圖片由Maxim Integrated提供。

陶瓷封裝中MAX6079的LTD曲線(xiàn)。

圖6。陶瓷封裝中MAX6079的LTD曲線(xiàn)。圖片由Maxim Integrated提供。

如您所見(jiàn)，陶瓷封裝的電壓基準(zhǔn)提供了比塑料封裝設(shè)備更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

LTD測(cè)試條件——電壓參考敏感度

LTD的特征在于在受控環(huán)境中老化被測(cè)設(shè)備的樣本群體。由于電壓基準(zhǔn)易受濕度和溫度變化的影響，因此應(yīng)在恒溫恒濕的環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，例如在25°C、40%相對(duì)濕度下。圖7顯示了塑料封裝電壓基準(zhǔn)的輸出如何隨著濕度變化而緩慢變化。

顯示塑料封裝電壓基準(zhǔn)輸出隨濕度變化的圖表。

圖7。顯示塑料封裝電壓基準(zhǔn)輸出隨濕度變化的圖表。圖片由Maxim Integrated提供

因此，使用濕度控制的環(huán)境室非常重要。在測(cè)試過(guò)程中，零件不間斷運(yùn)行，并定期測(cè)量其輸出。測(cè)試設(shè)置應(yīng)由不間斷電源（UPS）支持，以確保在發(fā)生電源故障時(shí)設(shè)備不會(huì)重置。通常提供至少1000小時(shí)的老化數(shù)據(jù)；然而，由于電壓基準(zhǔn)在工業(yè)廠房?jī)x表中的關(guān)鍵作用，鼓勵(lì)制造商進(jìn)行超過(guò)1000小時(shí)的測(cè)試時(shí)間，以確保準(zhǔn)確、可靠的運(yùn)行。下圖顯示了在3500小時(shí)內(nèi)收集的MAX6126 LTD數(shù)據(jù)。

MAX6126的LTD數(shù)據(jù)超過(guò)3500小時(shí)。

圖8。MAX6126的LTD數(shù)據(jù)超過(guò)3500小時(shí)。圖片由Maxim Integrated提供

如何減少長(zhǎng)期漂移效應(yīng)？

盡管基于Arrhenius方程的方法未用于電壓基準(zhǔn)的老化預(yù)測(cè)，但在高溫下，電壓基準(zhǔn)的衰老仍然會(huì)加速。這就是為什么在通電狀態(tài)下燃燒零件可以在較短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定設(shè)備，從而在最終應(yīng)用中具有最小的變化。典型的老化程序可能會(huì)使電路板在125°C下運(yùn)行168小時(shí)，或在85°C下工作約400小時(shí)。

如果主要關(guān)注的是應(yīng)力釋放，也可以使用無(wú)動(dòng)力老化循環(huán)。為了減少LTD效應(yīng)，還建議盡可能晚地進(jìn)行初始系統(tǒng)校準(zhǔn)，以消除初始校準(zhǔn)過(guò)程中因老化而產(chǎn)生的早期變化。