Designing Device Power Supply ICs in an Application-Specific Automated Test Equipment System

Abstract

本应用笔记提供自动测试设备(ATE)系统中的器件电源(DPS) IC选型指南。所介绍的注意事项能够帮助客户针对其ATE系统的实际要求选择合适的DPS IC,例如MAX32010。本应用笔记还介绍了能够满足ATE系统输出电流、热要求的系统级最佳架构。

引言

器件电源(DPS) IC能够灵活地加载电压、加载电流,为自动测试设备(ATE)提供动态测试能力。当负载电流在两个可编程电流限值之间时,DPS IC为电压源,并在达到设置的电流限值时平稳转换为精密电流源,可源出/吸入电流。

图1所示为Maxim Integrated® 的下一代器件电源IC MAX32010的简化框图。开关FIMODE、FVMODE和FISLAVE MODE选择不同的工作模式,例如:FV (加载电压)、FI (加载电流)和FI Slave模式;开关HIZF和HIZM分别选择MV (电压测量)和MI (电流测量)模式。RANGE MUX与外部检流电阻相结合,支持不同的电流量程:RA (1.2A)、RB (20mA)、RC (2mA)和RD (200µA)。通过改变检流电阻值,可靠自定义电流量程,计算公式为: RSENSE = 1V/IOUT。CLEN开关和ICLMP、VCLMP DAC允许用户设置可编程电压和电流箝位。

>图1. MAX32010方框图

图1. MAX32010方框图

本应用笔记首先介绍在系统中设计DPS IC电路的两个重要主要事项:量程变化时产生的毛刺问题,以及供电效率问题。然后详细介绍构建满足具体应用需求的DPS系统时的相关事项。

毛刺问题

我们首先讨论第一个注意事项,即量程变化时产生的尖峰电压或毛刺。ATE在执行被测件(DUT)测试时,系统可能需要针对不同的测试要求更改电流量程。对于IDDQ或静态电流的测量,通常要求置于最小电流量程,以测量较小的电流值。切换到最小电流量程时,所产生的电压脉冲或毛刺不但会影响测量精度,而且可能损坏DUT。无扰动(毛刺)量程切换能够有效保护DUT,并确保测试的有效性。当负载电容为270pF时,Maxim Integrated的DPS能够非常平稳地进行量程转换,不会产生任何尖峰脉冲或毛刺,如 图2所示。没有负载电容(0pF)时,量程转换时间为20µs,缓变率为25mV/20µs。这种切换方案所产生的毛刺远远低于竞争方案,同类竞争产品DPS所产生的尖峰脉冲会达到159mV,持续时间长达几个微秒。由此可见,切换量程时,采用Maxim Integrated的DPS可以获得最佳性能,毛刺降低536%,不会对DUT造成任何损坏。

图2. 量程切换时,Maxim Integrated DPS和某竞争器件的尖峰脉冲比较。

图2. 量程切换时,Maxim Integrated DPS和某竞争器件的尖峰脉冲比较。

器件电源效率

器件电源的效率直接影响到系统的成本和可靠性,这也是选择DPS IC时第二个需要关注的问题。效率越高,越有助于降低成本、提高系统的可靠性,并且延长系统的寿命。DPS的效率越低,产生的热量就越大;发热越多意味着系统部件磨损越大、故障率越高。可按照下式计算器件电源效率:

效率 = 输入功率/输出功率

如表1所示,Maxim DPS提供的电流(1.2A)高于竞争器件 (1A),且具有更高效率(58.33%)。MAX32010 DPS的效率比“竞品2”DPS IC的效率提高11%,比“竞品1”提高155%。

表1. 竞争产品分析:器件电源效率
IC 电源 I/P 电源 O/P 效率
MAX32010 12V, 1.2A 7V, 1.2A 58.33%
竞品 1 16.25V, 1.2A 3.7V, 1.2A 22.76%
竞品 2 14.75V, 1A 7.75V, 1A 52.54%

下面,我们讨论如何构建满足具体应用要求的DPS系统。

如何实现负载电流定制

ATE系统都会针对每个被测件(DUT)制定负载电流要求 (图 3)。MAX32010设计中,只需更改一个检流电阻值即可实现针对具体测试部件的量程选择。MAX32010中的RANGE MUX允许选择以下电流量程之一:RA (1.2A)、RB (20mA)、RC (2mA)或RD (200µA)。检流电阻值的计算公式为: RSENSE = 1V/IOUT例如,如果负载电流要求为5mA;5mA定制负载电流处于量程B范围内。选择正确的 RSENSE: RSSENSE = RB = 1V/5mA = 200Ω。关于检流电阻选择的详细信息,请参考Maxim Integrated的 "应用笔记7068"。

图3. 利用检流电阻实现定制负载电流选择。

图3. 利用检流电阻实现定制负载电流选择。

如何增大输出电流

多数情况下,DUT要求的电流可能高于DPS能够提供的电流。通过将多个DPS器件并联,可以获得1.2A以上的电流,如 图4所示。两片器件均配置在FI模式,可将输出电流翻倍。例如,将两片7V、1.2A的器件并联在一起,可实现高达7V、2.4A的输出电流。

图4. 两片DPS并联实现较高的输出电流

图4. 两片DPS并联实现较高的输出电流

提高DPS输出驱动电流能力的另一途径是采用脉冲输出。如果大电流输出仅限于较短的持续时间,脉冲式测量将是切实可行的选项,如图5所示。这种测试的一个例子是DUT的I-V特征分析。通过更改FI导通时间的占空比实现脉冲式测量。该测试中,DPS模式在50%的时间设置为FI模式,另外50%的时间设置为“高阻”模式。可根据DUT电流的要求更改占空比。我们已经对MAX32010 IC进行了该项试验,结果如下:

最大输出电流 = 1.436A (占空比为50%)

图5.采用50%占空比时,MAX32010的脉冲式测量输出

图5.采用50%占空比时,MAX32010的脉冲式测量输出

如何为DPS系统选择正确的散热器

为了保证系统的可靠性和稳定性,选择正确的散热器必不可少。下面,我们逐步介绍如何为MAX32010选择正确的散热器。

第1步:确定封装的相关尺寸。对封装进行热分析有助于选择正确的散热器。充分利用裸焊盘散热区域非常重要。

第2步:根据PCB热特性计算热阻值(θJA)的边界条件。计算功率损耗,并考虑所有散热介质(传导、对流和辐射)。

第3步:计算封装的温度分布时,散热器面积和散热风扇的气流是两个非常重要的变量(图6)。切记IC的结温应保持低于热关断温度。我们在静止空气环境下的测试分析表明,为了保证结温低于140°C,MAX32010需要采用面积为30.48mm x 30.48mm、厚度为5mm、鳍片长度为15mm的散热器。

图6. MAX32010封装温度分布(带散热器)。

图6. MAX32010封装温度分布(带散热器)。

第4步:为确保IC结温低于140°C,气流和散热器材料也非常重要。我们的分析表明,为铜散热器增加1m/s的气流,能够显著改善热性能(图7)。

图7. MAX32010热分析

图7. MAX32010热分析

总结

本应用笔记为自动测试设备(ATE)系统设计提供器件电源(DPS) IC的选型指南。文中讨论的注意事项可以帮助客户针对其具体的ATE系统需求合理选择DPS IC。本应用笔记还介绍了能够满足ATE系统输出电流、热要求的最佳系统级架构。