自動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，為自動測試設備（ATE）提供動態測試能力。當負載電流在兩個可編程電流限值之間時，DPS IC為電壓源，并且在達到設定的電流限值時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的簡化框圖。開關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；開關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開關和ICLMP、VCLMP DAC允許用戶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電路的兩個重要主要事項：量程變化時產生的突刺問題，以及供電效率問題。之后詳細介紹建構滿足具體應用需求的DPS系統時的相關事項。

突刺問題
我們首先討論第一個注意事項，即量程變化時產生的尖峰電壓或突刺。ATE在執行被測件（DUT）測試時，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，所產生的電壓脈沖或突刺不但會影響測量精度，而且可能損壞DUT。無擾動（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，ADI的DPS能夠非常平穩進行量程轉換，不會產生任何尖峰脈沖或突刺，如圖二所示。沒有負載電容（0pF）時，量程轉換時間為20μs，緩變率為25mV/20μs。此種切換方案所產生的突刺遠低于競爭方案，同類競爭產品DPS所產生的尖峰脈沖會達到159mV，持續時間長達幾個微秒。由此可見，切換量程時，采用ADI的DPS可以獲得最佳性能，突刺降低536%，不會對DUT造成任何損壞。


 
圖二 : 量程切換時，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時第二個需要關注的問題。效率越高越有助于降低成本、提高系統的可靠性，并且延長系統的壽命。DPS的效率越低，產生的熱量就越大；發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：競爭產品分析：組件電源效率

以下，我們討論如何建構滿足具體應用要求的DPS系統。
如何實現負載電流客制化
ATE系統都會針對每個被測件（DUT）制定負載電流要求 （圖三）。MAX32010設計中，只需更改一個檢流電阻值即可實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。透過將多個DPS組件并聯，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的組件并聯在一起，可實現高達7V、2.4A的輸出電流。


 
圖四 : 兩片DPS并聯實現較高的輸出電流

提高DPS輸出驅動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間，脈沖式測量將是切實可行的選項，如圖五所示。如此測試的一個例子是DUT的I-V特征分析。透過更改FI導通時間的工作周期實現脈沖式測量。
在該測試中，DPS模式在50%的時間設定為FI模式，另外50%的時間設定為「高阻」模式。可根據DUT電流的要求更改工作周期。對于MAX32010 IC進行了該項試驗，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，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】確定封裝的相關尺寸。對封裝進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（傳導、對流和輻射）納入考慮。
【第3步】計算封裝的溫度分布時，散熱器面積和散熱風扇的氣流是兩個非常重要的變量（圖六）。切記IC的結溫應保持低于熱關斷溫度。我們在靜止空氣環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助客戶針對其具體的ATE系統需求合理選擇DPS IC。文中同時介紹能夠滿足ATE系統輸出電流、熱要求的最佳系統級架構。
（本文作者Madhura Tapse為ADI公司應用高階技術人員）