自動(dòng)測試設備系統中的組件電源設計

組件電源（DPS）IC能夠彈性加載電壓、加載電流，為自動(dòng)測試設備（ATE）提供動(dòng)態(tài)測試能力。當負載電流在兩個(gè)可編程電流限值之間時(shí)，DPS IC為電壓源，并且在達到設定的電流限值時(shí)平穩轉換為精密電流源/灌電流。
圖一為ADI新一代組件電源IC MAX32010的簡(jiǎn)化框圖。開(kāi)關(guān)FIMODE、FVMODE和FISLAVE MODE選擇不同的工作模式，例如：加載電壓（FV）、加載電流（FI）和FI Slave模式；開(kāi)關(guān)HIZF和HIZM分別選擇MV （電壓測量）和MI （電流測量）模式。RANGE MUX與外部檢流電阻相結合，支持不同的電流量程：RA （1.2A）、RB （20mA）、RC （2mA）和RD （200μA）。
透過(guò)改變檢流電阻值，可靠自定義電流量程，計算公式為： RSENSE = 1V/IOUT。CLEN開(kāi)關(guān)和ICLMP、VCLMP DAC允許用戶(hù)設定可編程電壓和電流箝位。


 
圖一 : MAX32010方框圖

本文將首先介紹在系統中設計DPS IC電路的兩個(gè)重要主要事項：量程變化時(shí)產(chǎn)生的突刺問(wèn)題，以及供電效率問(wèn)題。之后詳細介紹建構滿(mǎn)足具體應用需求的DPS系統時(shí)的相關(guān)事項。

突刺問(wèn)題
我們首先討論第一個(gè)注意事項，即量程變化時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓或突刺。ATE在執行被測件（DUT）測試時(shí)，系統可能需要針對不同的測試要求更改電流量程。
對于IDDQ或靜態(tài)電流的測量，通常要求置于最小電流量程，以測量較小的電流值。切換到最小電流量程時(shí)，所產(chǎn)生的電壓脈沖或突刺不但會(huì )影響測量精度，而且可能損壞DUT。無(wú)擾動(dòng)（突刺）量程切換能夠有效保護DUT，并確保測試的有效性。

當負載電容為270pF時(shí)，ADI的DPS能夠非常平穩進(jìn)行量程轉換，不會(huì )產(chǎn)生任何尖峰脈沖或突刺，如圖二所示。沒(méi)有負載電容（0pF）時(shí)，量程轉換時(shí)間為20μs，緩變率為25mV/20μs。此種切換方案所產(chǎn)生的突刺遠低于競爭方案，同類(lèi)競爭產(chǎn)品DPS所產(chǎn)生的尖峰脈沖會(huì )達到159mV，持續時(shí)間長(cháng)達幾個(gè)微秒。由此可見(jiàn)，切換量程時(shí)，采用ADI的DPS可以獲得最佳性能，突刺降低536%，不會(huì )對DUT造成任何損壞。


 
圖二 : 量程切換時(shí)，ADI DPS和某競爭組件的尖峰脈沖比較。

組件電源效率
組件電源的效率直接影響到系統的成本和可靠性，這也是選擇DPS IC時(shí)第二個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。效率越高越有助于降低成本、提高系統的可靠性，并且延長(cháng)系統的壽命。DPS的效率越低，產(chǎn)生的熱量就越大；發(fā)熱越多表示系統部件磨損越大、故障率越高。組件電源效率可依照下式計算：
效率 = 輸入功率/輸出功率

如表一所示，ADI DPS提供的電流（1.2A）高于競爭組件 （1A），且具有更高效率（58.33%）。MAX32010 DPS的效率比「競品2」DPS IC的效率提高11%，比「競品1」提高155%。

表一：競爭產(chǎn)品分析：組件電源效率

以下，我們討論如何建構滿(mǎn)足具體應用要求的DPS系統。
如何實(shí)現負載電流客制化
ATE系統都會(huì )針對每個(gè)被測件（DUT）制定負載電流要求 （圖三）。MAX32010設計中，只需更改一個(gè)檢流電阻值即可實(shí)現針對具體測試零件的量程選擇。MAX32010中的RANGE MUX允許選擇以下電流量程之一：RA （1.2A）、RB （20mA）、RC （2mA）或RD （200μA）。檢流電阻值的計算公式為： RSENSE = 1V/IOUT例如，如果負載電流要求為5mA；5mA定制負載電流處于量程B范圍內。選擇正確的 RSENSE: RSSENSE= RB = 1V/5mA = 200Ω。


 
圖三 : 利用感流電阻實(shí)現客制化負載電流選擇

如何增大輸出電流
多數情況下，DUT要求的電流可能高于DPS能夠提供的電流。透過(guò)將多個(gè)DPS組件并聯(lián)，可以獲得1.2A以上的電流，如圖四所示。兩片組件均配置在FI模式，可將輸出電流翻倍。例如：將兩片7V、1.2A的組件并聯(lián)在一起，可實(shí)現高達7V、2.4A的輸出電流。


 
圖四 : 兩片DPS并聯(lián)實(shí)現較高的輸出電流

提高DPS輸出驅動(dòng)電流能力的另一途徑是采用脈沖輸出。如果大電流輸出僅限于較短的持續時(shí)間，脈沖式測量將是切實(shí)可行的選項，如圖五所示。如此測試的一個(gè)例子是DUT的I-V特征分析。透過(guò)更改FI導通時(shí)間的工作周期實(shí)現脈沖式測量。
在該測試中，DPS模式在50%的時(shí)間設定為FI模式，另外50%的時(shí)間設定為「高阻」模式?？筛鶕﨑UT電流的要求更改工作周期。對于MAX32010 IC進(jìn)行了該項試驗，結果如下：
最大輸出電流 = 1.436A （工作周期為50%）


 
圖五 : 采用50%工作周期時(shí)，MAX32010的脈沖式測量輸出

為DPS系統選擇正確的散熱片
為了保證系統的可靠性和穩定性，選擇正確的散熱片必不可少。以下將逐步介紹如何為MAX32010選擇正確的散熱片。
【第1步】確定封裝的相關(guān)尺寸。對封裝進(jìn)行熱分析有助于選擇正確的散熱片。充分利用外露焊墊散熱區域非常重要。
【第2步】根據PCB熱特性計算熱阻值（θJA）的邊界條件。計算功率損耗，并將所有散熱介質(zhì)（傳導、對流和輻射）納入考慮。
【第3步】計算封裝的溫度分布時(shí)，散熱器面積和散熱風(fēng)扇的氣流是兩個(gè)非常重要的變量（圖六）。切記IC的結溫應保持低于熱關(guān)斷溫度。我們在靜止空氣環(huán)境下的測試分析顯示，為了保證結溫低于140°C，MAX32010需要采用面積為30.48mm x 30.48mm、厚度為5mm、鰭片長(cháng)度為15mm的散熱片。


 
圖六 : MAX32010封裝溫度分布（具有散熱片）

【第四步】為確保IC結溫低于140°C，氣流和散熱片材料也非常重要。我們的分析顯示，為銅散熱器增加1m/s的氣流，能夠明顯改善熱性能（圖七）。


 
圖七 : MAX32010熱分析

總結
本文為自動(dòng)測試設備（ATE）系統設計提供組件電源（DPS） IC的選型指南。文中討論的注意事項可協(xié)助客戶(hù)針對其具體的ATE系統需求合理選擇DPS IC。文中同時(shí)介紹能夠滿(mǎn)足ATE系統輸出電流、熱要求的最佳系統級架構。
（本文作者M(jìn)adhura Tapse為ADI公司應用高階技術(shù)人員）