自動測試設備系統中的元件電源設計

作者：ADI Madhura Tapse

本文所提供的內容為自動測試設備(ATE)系統中的元件電源(DPS) IC選型指南。文中所介紹的注意事項能夠協助客戶針對其ATE系統的實際要求選擇合適的DPS IC，例如MAX32010。本文並介紹了能夠滿足ATE系統輸出電流、熱要求的系統級最佳架構。

引言

元件電源(DPS) IC能夠彈性載入電壓、載入電流，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，並在達到設定的電流限值時平穩轉換為精密電流源/灌電流。

Figure 1. MAX32010 Diagram — 圖1. MAX32010方框圖

圖1所示為ADI新一代元件電源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：FV (載入電壓)、FI (載入電流)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，支援不同的電流量程：RA (1.2A)、RB (20mA)、RC (2mA)和RD (200µA)。透過改變檢流電阻值，可靠自訂電流量程，計算公式為： R_SENSE = 1V/I_OUT。CLEN開關和ICLMP、VCLMP DAC允許使用者設定可編程電壓和電流箝位。

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。之後將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

Figure 2B. Range Change Glitch — 圖2. 量程切換時，ADI DPS和某競爭元件的尖峰脈衝比較。

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。對於IDDQ或靜態電流的測量，通常要求置於最小電流量程，以測量較小的電流值。切換到最小電流量程時，所產生的電壓脈衝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，並確保測試的有效性。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衝或突刺，如圖2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於競爭方案，同類競爭產品DPS所產生的尖峰脈衝會達到159mV，持續時間長達幾個微秒。由此可見，切換量程時，採用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。

元件電源效率

表1. 競爭產品分析：元件電源效率
IC	電源 I/P	電源 O/P	效率
MAX32010	12V, 1.2A	7V, 1.2A	58.33%

元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。效率越高越有助於降低成本、提高系統的可靠性，並且延長系統的壽命。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。元件電源效率可依照下式計算：

效率 = 輸入功率/輸出功率

如表1所示，ADI DPS提供的電流(1.2A)高於競爭元件 (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%。

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製化

Figure 3. Custom Load Current Selection using Sense Resistors — 圖3. 利用感流電阻實現客製化負載電流選擇。

ATE系統都會針對每個被測件(DUT)制定負載電流要求 (圖 3)。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： R_SENSE = 1V/I_OUT例如，如果負載電流要求為5mA；5mA定制負載電流處於量程B範圍內。選擇正確的 R_SENSE: R_SENSE = RB = 1V/5mA = 200Ω。關於檢流電阻選擇的詳細資訊，請參考「ADI應用筆記7068」。

如何增大輸出電流

Figure 4. Parallel DPS Configuration Achieves Higher Output Current — 圖4. 兩片DPS並聯實現較高的輸出電流

多數情況下，DUT要求的電流可能高於DPS能夠提供的電流。透過將多個DPS元件並聯，可以獲得1.2A以上的電流，如圖4所示。兩片元件均配置在FI模式，可將輸出電流翻倍。例如，將兩片7V、1.2A的元件並聯在一起，可實現高達7V、2.4A的輸出電流。

Figure 5. 50% Duty Cycle Pulsed Testing Output of MAX32010 — 圖5.採用50%工作週期時，MAX32010的脈衝式測量輸出

提高DPS輸出驅動電流能力的另一途徑是採用脈衝輸出。如果大電流輸出僅限於較短的持續時間，脈衝式測量將是切實可行的選項，如圖5所示。如此測試的一個例子是DUT的I-V特徵分析。透過更改FI導通時間的工作週期實現脈衝式測量。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週期。我們已經對MAX32010 IC進行了該項試驗，結果如下：

最大輸出電流 = 1.436A (工作週期為50%)

如何為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。下面將逐步介紹如何為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於選擇正確的散熱片。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，並將所有散熱介質(傳導、對流和輻射)納入考量。

Figure 6. Temperature Distribution with Heatsink — 圖6. MAX32010封裝溫度分佈(具有散熱片)。

第3步：計算封裝的溫度分佈時，散熱器面積和散熱風扇的氣流是兩個非常重要的變數(圖6)。切記IC的結溫應保持低於熱關斷溫度。我們在靜止空氣環境下的測試分析顯示，為了保證結溫低於140°C，MAX32010需要採用面積為30.48mm x 30.48mm、厚度為5mm、鰭片長度為15mm的散熱片。

Figure 7. Thermal Analysis of MAX32010 — 圖7. MAX32010熱分析

第4步：為確保IC結溫低於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7)。

總結

本文為自動測試設備(ATE)系統設計提供元件電源(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。