针对特定应用的自动测试设备系统中设计器件电源(DPS) IC时的考虑因素
引言
器件电源(DPS) IC具有灵活的电压驱动和电流驱动容量,能够为自动测试设备(ATE)提供动态测试能力。当负载电流介于两个设定限流值之间时,DPS IC可以作为电压源;在达到设定限流值时,DPS IC可以顺利转换为精密电流源。
图1显示Maxim Integrated(现为ADI公司一部分)的下一代器件电源(DPS) MAX32010的简化架构。开关FIMODE、FVMODE和FISLAVE MODE选择不同的模式,如FV(电压驱动)、FI(电流驱动)和FI从器件选择,而开关HIZF和HIZM分别选择MV(测量电压)和MI(测量电流)模式。与外部检测电阻相结合,RANGE MUX支持多个电流范围,RA (1.2A)、RB (20mA)、RC (2mA)和RD (200µA)。通过使用公式RSENSE = 1V/IOUT更改检测电阻值,可设计自定义电流范围。借助CLEN开关以及ICLMP和VCLMP DAC,用户还可设置可编程电压和箝位电流。
本文先介绍设计系统中的器件电源IC时的两个重要考虑因素,范围变更毛刺和效率。然后,文章详细介绍构建满足特定应用要求的DPS系统的一些需要考虑的因素。
范围变更毛刺
我们来看第一个考虑因素,测量范围变更而引起的毛刺问题。当ATE执行DUT测试时,系统可能需要针对不同的测试来更改电流范围。IDDQ或静态电流测量通常需要最低的电流范围,用于测量较小的电流值。在移动至最低电流范围时出现的电压尖峰或毛刺不仅会影响测量,还有可能损坏DUT。无毛刺范围变更可保护DUT,并验证测试。使用270pF的负载电容进行测试时,Maxim Integrated的DPS能够非常顺利地执行这一转换,没有任何毛刺,如图2所示。如果不使用负载电容(0pF),将会在20µs范围内发生转换,斜坡速率为25mV/20µs。与竞争产品在转换时产生的毛刺相比,该转换产生的毛刺小得多。在数微秒的时间内,竞争对手DPS的毛刺为159mV。因此,Maxim Integrated的DPS性能比竞争产品的范围变更性能高536%,而且不会对DUT造成任何损害。
器件电源效率
在选择DPS IC时,器件电源效率是第二个重要的考虑因素,因为该因素直接影响系统的成本和可靠性。效率越高,节省的成本就越多,可靠性更强,通常系统寿命也更长。效率较低的DPS产生的热量更多;更多热量意味着更多损耗,系统中组件的故障率变得更高。
器件电源效率的计算公式是,效率 = 功率输出/功率输入。
现在,我们来考虑构建DPS系统以满足特定应用要求时的一些方面。
IC | 电源 I/P | 电源 O/P | 效率 |
Maxim MAX32010 | 12V, 1.2A | 7V, 1.2A | 58.33% |
竞争产品 1 | 16.25V, 1.2A | 3.7V, 1.2A | 22.76% |
竞争产品 2 | 14.75V, 1A | 7.75V, 1A | 52.54% |
现在,我们来考虑构建DPS系统以满足特定应用要求时的一些方面。
如何满足DPS中的自定义负载电流要求
对于每个受测器件(DUT),每个ATE都有自定义负载电流要求。MAX32010允许通过只更改1个检测电阻值来选择自定义范围。MAX32010中的RANGE MUX选择以下电流范围之一:RA (1.2A)、RB (20mA)、RC (2mA)或RD (200µA)。通过使用公式RSENSE = 1V/IOUT,选择检测电阻值。例如,负载电流要求是5mA;5mA是自定义负载电流,属于范围B。要选择正确的RSENSE:RSENSE = RB = 1V/5mA = 200Ω。请参考Maxim Integrated的应用笔记7068,了解有关检测电阻选择的更多信息。
如何提高输出电流
很多时候,DUT所需的电流可能高于单颗DPS芯片能够提供的电流。如图4所示,通过并联多个DPS器件,可实现超过1.2A的额外电流。两个器件均保持FI模式,从而使电流加倍。例如,将两个7V,1.2A器件并联能够实现7V,2.4A的输出电流。
要提高DPS的输出驱动电流能力,另一个方法是脉冲输出。如果电流要求只持续很短的时间,则脉冲测试是可行选择,如图5所示。例如测试DUT的I-V特性。通过更改FI开启时间的占空比,可执行脉冲测试。在该测试中,DPS模式在50%的时间里设为FI模式,在另外50%的时间里设为“高阻抗”模式。根据DUT电流要求,占空比可能有所变化。我们在MAX32010 IC上执行了该试验,结果如下所示:
最大输出电流 = 1.436A,占空比达50%
如何为DPS系统选择正确的散热器
要想获得可靠稳定的系统,必须正确选择散热器。以下示例显示了为MAX32010选择正确散热器的分步指南。
第1步:获取封装的相关尺寸。通过封装热分析有助于选择正确的散热器。了解用于散热的裸露焊盘所在区域十分重要。
第2步:获取PCB热性能,以计算θJA的边界条件。计算功耗,并考虑所有散热方式(传导、对流和辐射)。
第3步:在计算封装的温度分布时,散热器底面积和散热器风扇的转速是两个重要的变量。请记住,IC的结温应保持在热关断温度以下。我们使用静止空气开展的分析表明,对于MAX32010,要使结温保持在140°C以下,需要一个底面积为30.48mm x 30.48mm、厚度为5mm、散热片长15mm的散热器。
第4步:要想使IC的结温保持在140°C以下,气流和散热器材料发挥着重要作用。我们的分析表明,通过使铜散热器的气流增加1m/s,可显著改善温度性能。
总结
本文提供关于在自动测试设备(ATE)系统中选择器件电源(DPS) IC的指南。这些考虑因素将帮助客户根据其特定的ATE系统来选择DPS IC。文中还介绍了能够满足ATE系统的输出电流和散热要求的系统级架构。