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如何使用 SSR 实现可靠都的、可快速开关的低损耗半导体自动测试设备

关键词:SSR 半导体 自动测试

时间:2024-02-18 10:42:35      来源:DigiKey

集成电路 (IC) 降低了硬件开发成本,促进了电子设备的小型化并具有广泛的功能,因此比以往任何时候都更加抢手。为确保大批量生产的质量,半导体制造商需要可靠、紧凑的自动测试设备 (ATE) ,能够在保持信号低电平、信号高电平且损耗最小的情况下快速开关高频 AC 和 DC 电流。

作者:Jens Wallmann

集成电路 (IC) 降低了硬件开发成本,促进了电子设备的小型化并具有广泛的功能,因此比以往任何时候都更加抢手。为确保大批量生产的质量,半导体制造商需要可靠、紧凑的自动测试设备 (ATE) ,能够在保持信号低电平、信号高电平且损耗最小的情况下快速开关高频 AC 和 DC 电流。

基于光电 MOSFET 的固态继电器 (SSR) 是 IC 测试仪和 ATE 应用的理想之选。这些器件的微型尺寸和无磨损特性尤其引人关注。

本文简要讨论 ATE 的要求。然后介绍 Panasonic 的 PhotoMOS 系列固态继电器中不同类型的光伏 MOSFET 继电器,并着重说明这种继电器在元件几何形状和开关特性方面的差异。本专题最后还将介绍加快开关速度和降低 PhotoMOS 特定型漏电流的设计技巧。

封装密度高,信号路径短

自动 IC 测试仪使用密集的针状适配器(探头卡)与被测设备 (DUT) 接触,以进行功能测试。测试头中的模块可产生并分配高速测试脉冲,提供适当的电压并开关测量通道。每次测试时都必须在密闭空间内进行,以尽量减少线路损耗,缩短信号传播时间并减少干扰和信道串扰。

为此,设计人员可以使用小型开关元件,如 Panasonic 的 AQ 系列继电器。例如,压控 CC 型 AQY2C1R6PX PhotoMOS 固态继电器采用 TSON 封装, 大小为 3.51 mm2 (1.95 × 1.80 mm)(图 1)。该器件利用电容耦合提供 200 V 隔离保护,并采用电压控制且控制功率只需 1.2 mW。


图 1:所示为 AQ 系列小信号 PhotoMOS 继电器的外壳尺寸(以 mm 为单位)。(图片来源:Panasonic,经作者修改)

电流控制 RF 型 AQY221R6TW PhotoMOS 继电器封装小,仅为 3.8 mm²,但其 VSSOP 外壳比 AQY2C1R6PX 高 3.6 倍。该器件的控制功率只需 75 mW,并利用光耦合提供 200 V 保护隔离。CC 和 RF 型的漏电流 (ILeak) 非常低,仅为 10 纳安 (nA) 。

图 2 显示了带电容耦合的 CC 型继电器(左) 和带光学耦合的 RF 型继电器(右)的电路原理。


图 2:AQY2C1R6PX CC 型 PhotoMOS 固态继电器(左)采用电容耦合,由电压驱动;AQY221R6TW RF 型(右)采用光耦合,由电流驱动。(图片来源:Panasonic,经作者修改)

GE AQV214EHAX 型还采用了光耦合技术,在控制电路 (IN) 和负载电路 (OUT) 之间提供高达 5 kV 的较高保护绝缘。该器件采用体积较大的 6-SMD 封装,尺寸为 8.8 mm x 6.4 mm,有鸥翼引线。GE 系列的 SSR 只需 75 mW 控制功率,即可在最高 400 V 电压下开关高达 150 mA 的负载电流。

优化接触电阻和输出电容

与典型的半导体器件一样,固态继电器也具有“导通”电阻 (Ron) 和输出电容 (Cout) ,这两个参数分别会导致热损耗和漏电流。根据需要开关的信号类型,不同类型的继电器会对这两个参数中的某一个进行优化。

Ron 特别低的固态继电器,在开关高频 AC 测试脉冲时衰减较小。具有低 Cout 的固态继电器,可对 DC 信号进行更精确的测量,而 Cout 高的固态继电器则适用于开关更高的功率。图 3 所示为一个自动半导体器件测试系统,并说明了哪些 PhotoMOS 继电器类型最适合测试头测量模块中的各种信号路径。


图 3:这套自动半导体测试系统的每个信号路径都需要特定类型的 PhotoMOS 继电器。(图片来源:Panasonic)

AQY2C1R3PZ 和 AQY221N2TY PhotoMOS 继电器分别具有 1.2 pF 和 1.1 pF 的低 Cout。这样,这些器件的开关时间可达 10 µs 和 20 µs (AQY2C1R3PZ) ,以及 10 µs 和 30 µs (AQY221N2TY) 。这两款继电器的折衷结果是增大了 Ron,分别达到 10.5 Ω 和 9.5 Ω,并导致损耗和元件发热增加。这些 PhotoMOS 继电器适用于以较低的电流快速开关测量信号,而且在高频信号下产生的反射/相移较小。

前文讨论过的 AQY2C1R6PX 和 AQY221R6TW 更适合开关速度较慢的电源信号和电流较大的电源电压。虽然这些器件的 Ron 较低,导致元件发热较少,但其 Cout 较大,会对信号产生积分器效应。

将信号失真降至最低

例如,用于 AC 信号的光电三端双向可控硅,或者用于脉动 AC 信号的带双极晶体管的光耦合器,只代表简单开关 (1 form A) 的半导体继电器这些器件会因阈值、触发电压和开关延迟而导致负载信号失真。此外,反向恢复电流会产生谐波过冲(瞬时振荡)和 10 mmA 至 100 mA 漏电流。

在 Panasonic 的 PhotoMOS 继电器中,带有驱动电路的 FET 半桥最大程度地减少了这些信号失真,因此适用于诸如高速测试脉冲、测量信号和电源电压等 AC 和 DC 小信号的低损耗开关。关断时,两个输出连接之间的漏电流低于 1 微安 (µA)。

PhotoMOS 继电器分为 form A 型(单极单掷、常开触点 (SPST-NO))或 form B 型(常闭触点、SPST-NC)以及多路产品。设计人员可通过组合 form A 和 form B 型器件来制造 form C 型开关,如单刀双掷 (SPDT) 、单刀转换开关和双刀双掷 (DPDT) 开关。

例如,AQS225R2S 是一款采用 SOP16 封装的 4 路 PhotoMOS 继电器 (4SPST-NO),在开关电压高达 80 V 的情况下可处理高达 70 mA 的电流。此外,AQW214SX 是一款采用 SOP8 封装的双路 PhotoMOS 继电器 (2SPST-NO) ,在开关电压高达 400 V 时可处理高达 80 mA 的负载电流。

图 4 所示为 SSR、PhotoMOS 和光耦合器的内部结构及其典型的信号失真。PhotoMOS 继电器在阻性负载下不会造成信号削波或类似失真。


图 4:由于阈值电压和触发电压,SSR 和光耦合器会导致输出信号失真;而 PhotoMOS 继电器在开关 AC 和 DC 信号时不会失真。(图片来源:Panasonic,经作者修改)

为了减弱感性和容性开关负载的反馈效应,从而保护 PhotoMOS 输出级,设计人员必须在输出侧添加钳位和续流二极管、RC 和 LC 滤波器或压敏电阻。在 CC 系列中,钳位二极管可保护输入振荡器免受过压峰值的影响,并将控制信号限制在 3 V 至 5.5 V 之间,而 RC 滤波器可确保残余纹波小于 ±0.5 伏。

减小漏电流

断电时,PhotoMOS 继电器的 Cout 可作为交流电流和高频脉冲序列的旁路。为了大幅降低此类漏电流并最大限度地提高高频隔离能力,Panasonic 建议使用三个独立的 PhotoMOS 继电器,形成 T 电路(图 5,左)。在主信号路径中,1 Form A PhotoMOS 继电器 S1 和 S2 均为低 Ron 器件,而 1 Form A 短路开关 S3 则为低 Cout 器件。


图 5:当 S1 和 S2 断开时,接通的继电器 S3 对所有泄漏电流起短路作用(T 电路处于断开状态,右图) 。(图片来源:Panasonic,经作者修改)

T 电路接通状态(图 5,中间):在 S1 和 S2 接通的情况下,其 Ron 最大程度地衰减信号电平,而关断的 S3 继电器的低 Cout 则对高频(低通)的衰减很小。

T 电路关断状态(图 5 右):如果 S1 和 S2 处于断电状态,其 Cout 即为高频旁路(高通),但接通的 S3 继电器会使通过 S1 的容性信号短路(吸入回路)。

T 电路的接通/断开定时必须以先断后通 (BBM) 开关的方式实现。因此,在接通 S3 之前,应先断开 S1 和 S2。对于继电器,BBM 表示触点分别开关,而先通后断 (MBB) 表示触点以桥接方式开关。

加快 PhotoMOS 继电器的开关速度

PhotoMOS 继电器的内部光电传感器可用作太阳能电池,提供栅极充电电流。因此,LED 发出的光脉冲越亮,开关速度就越快。例如,图 6 中的自举元件 R1/R2/C1 会产生较大的电流脉冲。


图 6:自举元件 R1/R2/C1 提高了 PhotoMOS 继电器的接通速度。(图片来源:Panasonic)

在接通瞬间,C1 对 R2 起短路作用,因此 R1 的低电阻允许大电流流过。如果 C1 带有电荷且电阻较高,则需要添加 R2,以减少磁继电器的保持电流。因此,AQV204 PhotoMOS 继电器的接通时间从 180 µs 缩短到 30 µs。

结束语

通过使用小型无磨损的 PhotoMOS 继电器,设计人员可以提高 ATE 应用的信号密度和测量速度,同时减少维护需求。此外,遵循推荐的设计技术有助于最大限度地减少漏电流和开关时间。

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