瞬变电流分析法用于故障检测和定位的研究

刘芳

摘要：瞬变电流检测经常被用作静态电流测试的替代或补充。提出了一种全新的方法，采用小波变换的瞬变电流分析法，进行故障检测和定位，小波变换的时频分辨特性对数字信号的故障检测和局部故障检测都有一定的帮助，对通过8-bit移位寄存器测量的数据进行实验，对电路数据进行仿真，结果显示在检测和定位方面很有前景。小波检测方法比光谱法和时域法具有更好的灵敏度。针对复杂的供电网络、测量噪声和工艺变化等问题，分析了该定位方法的有效性。

关键词：故障定位;瞬变电流（IDD）;小波

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.091

1引言

已经有很多关于瞬变电流波形分析（IDD）的研究，IDD波形分析法是一种可以发现Ics中很多缺陷的有效方法。包括防御，如接受打开和弱晶体管缺陷，这是传统的IDDQ测试方法无法检测到的。在1987年，Frenzel和Marinos研究一种瞬时电流，在测试中，将电流作为设备的一种特征参数。Hasizume等人在正常和故障状态下，对同一问题进行分析。Beasley等人应用同步脉冲，分析了瞬变电流的时间和频谱特性。Vinnakota 等人将能量消费比例（ECR）两个输入转换作为测试指标。Plusquellic等人用分布测量点，提出了瞬时信号分析的概念（TSA）。De Paul等人使用积累的电荷作为对比信号，通过数值积分计算比较当前波形。在Sachdev 等人的方法，每个IDD测试模式是一个在预定的距离内作为信号的样本。默罕默德等开发了基于离散傅里叶变换（DFT）的信号对比来检测故障，采用积分器提取延迟信息，分析延迟原因。

虽然有很多关于故障检测的研究，但没有通过分析IDD波形，有效的故障定位方法。因此，本文提出一种采用IDD波形分析法，进行故障检测和定位的方法。小波变换同时在时间和频率上处理信号，比固定极限频率的傅里叶变换，测试更准确。更重要的是，小波变换可以选择基础方程，而傅里叶变换，只能选择固定的基础方程。因此，该方法可以选择最适合的基础方程，而且误差最小。

综上所述，证明小波变化具有较好的故障检测敏感性，可以用于故障检测，可以应用到其他IDD分析工具中，这样可增加错误覆盖率。本文还利用出现在小波系数中的时域信息，来确定故障区域，根据延迟检测技术进行定位。

2小波变换概述

傅里叶变换分析存在严重的缺陷，因为其在频域内转换信号，和信号分布是不可变换的。另一方面，小波变换可以在多频域或多种方式内分解信号，在变换系数中保留时域和频域信息。

在小波变换中，本文取一个具有两个主要性质的实复值连续时间函数：（1）从0开始积分;（2）平方积分。这个函数叫作母子波或者小波;性质①具有振荡或有波浪状外观的功能，与正弦函数相反，是一种小波;性质②这意味着波的大部分能量被限制在有限区间内。

3应用小波变换进行IDD分析

3.1故障检测

该故障检测策略是基于被测设备（DUT）和无故障设备之间的信号。在检测过程中，随机选择输入测试信号。在实际测试中，测试寄存器组通常由自动测试模式生成，用于测试程序。为了对比小波分析法和其他方法的灵敏度，不使用自动测试模式（ATPG）工具，用于DUT的每一个刺激信号，本文计算瞬变电流的小波系数，并将其与相同输入的无故障设备的小波系数进行对比。通过计算两组小波系数之间的均方根误差（RMSE）来进行比较。选择均方根误差进行信号比较是因为它是一種非常流行的简单度量，通过与否的标准是通过比较RMSE预设的测试边际来决定的。

为了比较本文的检测方案与现有基于IDD信号纯谱和纯时域内容的检测方法的有效性，本文使用了一个度量作为标准RMS。而时域方法使用当前波形下的累积电荷进行信号比较。

3.2故障定位

在这一节中，介绍了利用小波分量的时域信息实现了环形故障定位的方法。有缺陷的设备，本文可以观察到的小波系数，并确定延迟故障电路的响应，与无故障设备相比，有明显偏差。然后本文使用这些信息来确定故障部件。故障定位有两点优势，第一，它可能会提高过程和产量;第二，本文可以利用这些故障信息。

值得注意的是，首次迭代的分区，故障部件可能来自电路的不同部位，但不同输入转换值的后续迭代主要用于消除故障，这是远程故障的补救措施。因此，可以确定故障区域定位过程组成的一组相邻部件。

4实验结果

采用C编程语言实现了检测和定位算法。采用Matlab小波分析工具箱运行小波和傅里叶分解IDD信号。本文选用db2来作为小波函数，这是因为它是一种常用的基础小波，是一种正交直线。可以为本文的应用程序提供良好的输入波形图。不同频域范围内的基础小波对应不同的光谱含量，因此，本文选择限制频率（400MHz），傅里叶和小波组件都从基础值达到这个频率，本文用了4种不同的频域进行小波分解，在限制频率400MHz时，离散傅里叶变换分解出16种光谱分量，小波变换的范围从8到64是二阶的，不同范围内基础小波的频率含量是由在光谱中的20dB点决定的，最低值的范围，比如8，对应的最高频率在最高边际值400MHz范围内选择，比如64，因为频谱范围非常窄，在基线范围内选择。范围内的任何一个较高值都不会在映射错误方面导致显著变化，离散傅里叶变换法，在计算标准RMS时，本文既考虑频率大小，又考虑频率组成之间的协同作用。相应构件故障和无故障情况之间的绝对偏差，与相应构件的无故障情况进行标准化。通过计算机对RMS进行标准化计算。得到标准RMS值，在IDD曲线（通过数值积分进行制得）范围内取绝对偏差，然后根据无故障情况进行标准化。

5故障定位的影响因素

5.1供电网络的影响

该实验假设电路是由直接连接电源点的单一模型组成的。更现实点讲，供电网络可以设计成网格状，由不同模型在网格上的单点或多点连接，可以发现本文的定位方法是有效的，所有的检测和定位工作都是在网状供电网络下完成的。