采用多功能混合信號(hào)管腳實(shí)現(xiàn)汽車IC的高效益低成本

與過(guò)去機(jī)械系統(tǒng)的改進(jìn)決定汽車工業(yè)的革新不同的是，下一代汽車90％的創(chuàng)新都來(lái)自更復(fù)雜的集成電路。半導(dǎo)體器件在滿足客戶對(duì)汽車功能方面的需求上扮演著非常重要的角色。

根據(jù)FrostSullivan的數(shù)據(jù)，西歐的汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)將在未來(lái)的幾年內(nèi)將近翻一番。原本用于高端汽車的電子器件向低端汽車的轉(zhuǎn)移是這種快速增長(zhǎng)的原因之一。

現(xiàn)代高級(jí)汽車的電子系統(tǒng)是高度分散的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它由多于300個(gè)電機(jī)或電磁閥組成的控制單元連接到多達(dá)五個(gè)總線系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有100MB的嵌入式代碼，提供了動(dòng)力系統(tǒng)、安全、舒適、信息和通訊方面的功能。

動(dòng)力傳輸調(diào)節(jié)燃料的消耗和排放。汽車生產(chǎn)商宣稱他們的目標(biāo)之一就是生產(chǎn)三升汽車并且符合歐3標(biāo)準(zhǔn)和京都協(xié)議。沒(méi)有電子器件和軟件的支持，想要達(dá)到嚴(yán)格的控制規(guī)章是不可能的。

因此這些技術(shù)手段正在逐漸應(yīng)用于混合發(fā)電機(jī)或使用燃料電池的車輛。另一個(gè)趨勢(shì)是柴油驅(qū)動(dòng)的汽車逐漸取代汽油驅(qū)動(dòng)的汽車。

汽車的安全性和舒適性已經(jīng)越來(lái)越重要。市場(chǎng)對(duì)乘坐汽車的安全性的需求越來(lái)越高。汽車生產(chǎn)商們已經(jīng)對(duì)此采取了措施。同時(shí)各種技術(shù)，如防閉鎖剎車系統(tǒng)或氣囊已經(jīng)成為眾多中小型車的標(biāo)準(zhǔn)配置。

各種技術(shù)如電子穩(wěn)定程序或牽引控制系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入高端汽車市場(chǎng)，其進(jìn)入低端汽車也只是時(shí)間的問(wèn)題。

通過(guò)實(shí)施各種新型應(yīng)用增強(qiáng)汽車的舒適度，如無(wú)鑰匙進(jìn)入、座椅控制、車內(nèi)環(huán)境控制或?qū)Ш娇刂?，汽車制造商竭力提供與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不同的產(chǎn)品以獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

可以預(yù)見(jiàn)市場(chǎng)的進(jìn)一步需求來(lái)自汽車中的通訊和信息網(wǎng)絡(luò)。人們期望其擁有的汽車能夠接收廣播、視頻、移動(dòng)通訊、導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)字音頻/視頻廣播。

遠(yuǎn)程交通控制和服務(wù)也可在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)。

近幾年42V電網(wǎng)已經(jīng)成為討論焦點(diǎn)。盡管每個(gè)汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商都已經(jīng)可以提供42V兼容的產(chǎn)品，但對(duì)作為產(chǎn)品引入及批量生產(chǎn)的時(shí)間仍存有爭(zhēng)議?？梢郧宄A(yù)見(jiàn)的是42V電源網(wǎng)絡(luò)一定會(huì)到來(lái)。根據(jù)FrostSullivan提供的數(shù)據(jù)，到2015年半數(shù)的新產(chǎn)汽車將采用42 V電源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖1， 在未來(lái)，多于90％的汽車創(chuàng)新主要由電子器件和軟件來(lái)推動(dòng)。

測(cè)試挑戰(zhàn)

ATE制造商的主要考慮是VBAT上的最大電壓必須保持低于某一限定值 (通常為68 V)。在這一電壓限制之內(nèi)，汽車不需要進(jìn)一步的保護(hù)措施防止大電壓對(duì)人造成危險(xiǎn)。汽車是“低壓”的，這同樣適用于42V電源網(wǎng)絡(luò)，其電壓不得超過(guò)68 V。

另一種情況是“負(fù)向電池”。這種情況對(duì)于42V汽車來(lái)說(shuō)很難處理，因?yàn)殡妷鹤優(yōu)?倍，電壓不能降至低于-2V，所以即使采用42V電源網(wǎng)絡(luò)的汽車仍處于低壓調(diào)制狀態(tài)。顯然42 V電源網(wǎng)絡(luò)不能驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)電壓，但增加了對(duì)能夠提供42 V/80 V電壓的VI通道的需求。

另外汽車總線系統(tǒng)需要高壓數(shù)字管腳用于功能測(cè)試，電壓需求高達(dá)20 V。測(cè)試設(shè)備制造商不得不考慮到這一點(diǎn)。

汽車市場(chǎng)在價(jià)格和質(zhì)量方面的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。這意味著半導(dǎo)體制造商不得不尋找高性能、高效益低成本的測(cè)試解決方案以降低生產(chǎn)成本，保證利潤(rùn)空間維持在一定水平。

汽車類器件的發(fā)展趨勢(shì)是在單一芯片、封裝或模塊中集成各種技術(shù)，也就是所謂的“片上系統(tǒng)”。傳感器變得越來(lái)越重要。它們用于安全系統(tǒng)，如氣囊、駕駛控制或汽車動(dòng)力系統(tǒng)。

過(guò)去10年市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、產(chǎn)品面市時(shí)間和成本目標(biāo)設(shè)置了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此汽車電子的設(shè)計(jì)過(guò)程是未來(lái)汽車項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素。汽車電子的生命周期對(duì)于半導(dǎo)體制造商來(lái)說(shuō)非常重要。研發(fā)過(guò)程（包括通常的重設(shè)計(jì)）需要花費(fèi)12-36個(gè)月。汽車款型每6到8年改變一次，但其使用的電子器件更新?lián)Q代周期僅2到4 年。產(chǎn)品使用時(shí)間最少為10年。因此隨著新技術(shù)的采用，電子器件可能會(huì)改變得更快，同時(shí)能夠?yàn)槠囍圃焐虅?chuàng)造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

汽車用器件的設(shè)計(jì)和測(cè)試面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是成品率和失效率方面的要求。移動(dòng)電話的失效率允許達(dá)0.5%，而汽車器件的失效率必須小于0.005%。新器件的測(cè)試需求甚至超過(guò)下列要求：ASIC失效率要低于0.0003%，標(biāo)準(zhǔn)器件的失效率必須小于0.0001%，分立器件的失效率不能超過(guò)0.00005%。

為了管理不斷增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜度并保持設(shè)計(jì)工作的經(jīng)濟(jì)性，復(fù)雜的設(shè)計(jì)和測(cè)試工具必須支持并行和分布式的規(guī)范、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、集成以及測(cè)試工作和測(cè)試解決方案。

圖2，半導(dǎo)體器件分別工作在14 V 和 42 V電壓。

測(cè)試解決方案

器件的復(fù)雜性需要高性能、高靈活度的ATE系統(tǒng)，但同時(shí)必須提高生產(chǎn)率以保持利潤(rùn)空間并獲利。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須采用芯片并行測(cè)試，這樣才能提高產(chǎn)能并降低測(cè)試成本。創(chuàng)造新應(yīng)用的時(shí)間必須盡可能短，以配合新測(cè)試程序的生成和維護(hù)工作。

對(duì)于汽車器件混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，最大的挑戰(zhàn)是在一個(gè)全面且成本效益高的解決方案中提供數(shù)字、模擬、DSP和電源測(cè)試的能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須是可擴(kuò)展的，以覆蓋汽車電子產(chǎn)品廣泛的測(cè)試需求。靈活性和速度可以通過(guò)真正的每管腳測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。高速系統(tǒng)總線必須提供最大的產(chǎn)能和最低的測(cè)試成本。高性能儀器必須能夠與數(shù)字圖型完全同步。混合信號(hào)管腳電子性能必須能夠支持高達(dá)50 MHz的高數(shù)據(jù)傳輸率，提供-2 V ～ +28 V的電壓擺幅。

科利登復(fù)雜的電源混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)Falcon和 Piranha能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

圖 3， 3種不同的管腳類型覆蓋廣泛的測(cè)試需求：

- DPIN：數(shù)字混合信號(hào)管腳，用于高速數(shù)字需求 ；

- VPIN：具有高壓測(cè)試能力的數(shù)字混合信號(hào)管腳，其30 V的電壓擺 幅和50 MHz的數(shù)據(jù)速率很好的滿足了汽車器件的測(cè)試需求 ；

-APIN：模擬混合信號(hào)管腳，用于高壓高精度，提供 +-100 V/40 mA的每管腳參數(shù)測(cè)量單元（PMU）用于汽車工業(yè)的電源 混合信號(hào)測(cè)試。

圖 4，多功能混合信號(hào)管腳結(jié)構(gòu)圖。

多功能混合信號(hào)管腳電子性能

多功能混合信號(hào)管腳VPIN包括幾個(gè)功能模塊，如向量存儲(chǔ)器、ATE管腳控制器、驅(qū)動(dòng)器、比較器、負(fù)載和每個(gè)通道獨(dú)立的PMU。

控制器由序列產(chǎn)生器、時(shí)序發(fā)生器、格式化器件和比較邏輯組成。數(shù)字矩陣提供接入數(shù)字儀器的接口，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、時(shí)間測(cè)量單元和用于同步及觸發(fā)的觸發(fā)器。

通過(guò)模擬矩陣，每個(gè)管腳通道都能夠使用模擬儀器，如VI 源、系統(tǒng)電壓表和DSP儀器，通過(guò)編寫(xiě)軟件可以簡(jiǎn)化負(fù)載板的設(shè)計(jì)和額外的測(cè)試測(cè)量電路的集成。板上控制器允許進(jìn)行并行測(cè)量。驅(qū)動(dòng)/反饋技術(shù)保證精確的模擬激勵(lì)并允許在拆分模式下使用VPIN，這樣可以使測(cè)試管腳通道加倍。拆分模式允許驅(qū)動(dòng)和探測(cè)路徑同向。

新的數(shù)字管腳VPIN 被設(shè)計(jì)用于滿足汽車器件的特殊測(cè)試需求，電壓最高需達(dá)25V (通常值為14V) 才能進(jìn)行受力測(cè)試。VPIN是高壓混合信號(hào)管腳，具有較好的數(shù)字測(cè)試性能。它提供30V 電壓擺幅和最高50MHz 的數(shù)據(jù)率用于測(cè)試高壓高速混合信號(hào)器件。

真正的每管腳測(cè)試儀結(jié)構(gòu)提供高靈活性和完整的并行測(cè)試能力。每個(gè)管腳獨(dú)立的序列產(chǎn)生允許以不同的數(shù)據(jù)頻率發(fā)生同步或異步數(shù)字圖型。

向量存儲(chǔ)器存儲(chǔ)測(cè)試向量、序列指令、格式和時(shí)序信息。存儲(chǔ)器中包含激勵(lì)/預(yù)期數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證器件的輸出數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收存儲(chǔ)器支持實(shí)時(shí)記錄，ADC測(cè)試需要這種能力?？梢栽谙蛄窟\(yùn)行時(shí)讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。每個(gè)管腳獨(dú)立的PMU允許并行的直流參數(shù)測(cè)試。通過(guò)軟件控制線路切換，每個(gè)通道都可以連接到模擬和數(shù)字儀器。板上控制器存儲(chǔ)不同的測(cè)試設(shè)置，可以并行的調(diào)用從而可以快速的執(zhí)行測(cè)試。進(jìn)行高精度模擬測(cè)量時(shí)可以關(guān)閉控制器以降低噪聲。驅(qū)動(dòng)/反饋結(jié)構(gòu)保證了先進(jìn)的模擬精度。

科利登Falcon系統(tǒng)的VPIN管腳最多可達(dá)128 個(gè)。

圖 5，多功能混合信號(hào)管腳。

重要的儀器

VI 源可以選擇高性能VI源，覆蓋廣泛的汽車應(yīng)用的測(cè)試需求。VI源的操作可以從低電流到高功耗。所有的源都是浮地的，可以進(jìn)行四象限操作。板上測(cè)量支持并行測(cè)試，可以通過(guò)測(cè)試向量對(duì)VI進(jìn)行控制和觸發(fā)。通過(guò)報(bào)警和保護(hù)功能可以獲得最高的可靠性。很多其它特性，如VI源的疊加和并行使用，保證了用戶可以獲得最高性能和靈活性。

圖6， V/I源—— 從nA到 kW的靈活性。

DSP發(fā)生器和數(shù)字化儀 科利登的Falcon和Piranha系統(tǒng)提供幾個(gè)DSP儀器選件，分辨率可達(dá)20位，采樣頻率可達(dá)200 MHz。DSP發(fā)生器和數(shù)字化儀可以滿足廣泛的汽車器件模擬波形的測(cè)試需求。每個(gè)DSP儀器都有專用的DSP引擎，可以提供真正的并行測(cè)試能力。每通道獨(dú)立的數(shù)字化儀DSP引擎提供時(shí)域或頻域最快速的測(cè)量。所有的數(shù)字化儀和DSP發(fā)生器能夠與提供的相關(guān)采樣同步。

系統(tǒng)總線嵌入式的同步總線保證了系統(tǒng)所有儀器間的同步。數(shù)字、模擬、DSP和電源儀器的同步可以順利的進(jìn)行。使用觸發(fā)線觸發(fā)同步信號(hào)的發(fā)生并測(cè)量能夠較容易地進(jìn)行關(guān)鍵時(shí)間參數(shù)的測(cè)量。這些獨(dú)特的同步能力保證了系統(tǒng)的最大靈活性和產(chǎn)能。

總的來(lái)說(shuō)， Falcon和Piranha 是一種靈活的解決方案，用于應(yīng)對(duì)汽車器件混合信號(hào)測(cè)試的挑戰(zhàn)。根據(jù)需要，科利登測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足汽車工業(yè)用器件在數(shù)字、模擬、DSP和電源測(cè)試方面的需要。通過(guò)高速儀器和并行測(cè)試技術(shù)，科利登的系統(tǒng)可以提供最高的產(chǎn)能和最低的測(cè)試成本。每管腳測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)和互連保證了高度的靈活性。先進(jìn)的軟件工具包提供集成的工具，可以獲得最短的開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)時(shí)間。

圖 7，DSP發(fā)生器和數(shù)字化儀——從高精度到高速的靈活性