自動(dòng)測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)中的組件電源設(shè)計(jì)

組件電源（DPS）IC能夠彈性加載電壓、加載電流，為自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）提供動(dòng)態(tài)測(cè)試能力。當(dāng)負(fù)載電流在兩個(gè)可編程電流限值之間時(shí)，DPS IC為電壓源，并且在達(dá)到設(shè)定的電流限值時(shí)平穩(wěn)轉(zhuǎn)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(jiǎn)化框圖。開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)HIZF和HIZM分別選擇MV （電壓測(cè)量）和MI （電流測(cè)量）模式。RANGE MUX與外部檢流電阻相結(jié)合，支持不同的電流量程：RA （1.2A）、RB （20mA）、RC （2mA）和RD （200μA）。
透過(guò)改變檢流電阻值，可靠自定義電流量程，計(jì)算公式為： RSENSE = 1V/IOUT。CLEN開(kāi)關(guān)和ICLMP、VCLMP DAC允許用戶設(shè)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(tǒng)中設(shè)計(jì)DPS IC電路的兩個(gè)重要主要事項(xiàng)：量程變化時(shí)產(chǎn)生的突刺問(wèn)題，以及供電效率問(wèn)題。之后詳細(xì)介紹建構(gòu)滿足具體應(yīng)用需求的DPS系統(tǒng)時(shí)的相關(guān)事項(xiàng)。

突刺問(wèn)題
我們首先討論第一個(gè)注意事項(xiàng)，即量程變化時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓或突刺。ATE在執(zhí)行被測(cè)件（DUT）測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)可能需要針對(duì)不同的測(cè)試要求更改電流量程。
對(duì)于IDDQ或靜態(tài)電流的測(cè)量，通常要求置于最小電流量程，以測(cè)量較小的電流值。切換到最小電流量程時(shí)，所產(chǎn)生的電壓脈沖或突刺不但會(huì)影響測(cè)量精度，而且可能損壞DUT。無(wú)擾動(dòng)（突刺）量程切換能夠有效保護(hù)DUT，并確保測(cè)試的有效性。

當(dāng)負(fù)載電容為270pF時(shí)，ADI的DPS能夠非常平穩(wěn)進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，不會(huì)產(chǎn)生任何尖峰脈沖或突刺，如圖二所示。沒(méi)有負(fù)載電容（0pF）時(shí)，量程轉(zhuǎn)換時(shí)間為20μs，緩變率為25mV/20μs。此種切換方案所產(chǎn)生的突刺遠(yuǎn)低于競(jìng)爭(zhēng)方案，同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品DPS所產(chǎn)生的尖峰脈沖會(huì)達(dá)到159mV，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)微秒。由此可見(jiàn)，切換量程時(shí)，采用ADI的DPS可以獲得最佳性能，突刺降低536%，不會(huì)對(duì)DUT造成任何損壞。


 
圖二 : 量程切換時(shí)，ADI DPS和某競(jìng)爭(zhēng)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(tǒng)的成本和可靠性，這也是選擇DPS IC時(shí)第二個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。效率越高越有助于降低成本、提高系統(tǒng)的可靠性，并且延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命。DPS的效率越低，產(chǎn)生的熱量就越大；發(fā)熱越多表示系統(tǒng)部件磨損越大、故障率越高。組件電源效率可依照下式計(jì)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(jìng)爭(zhēng)組件 （1A），且具有更高效率（58.33%）。MAX32010 DPS的效率比「競(jìng)品2」DPS IC的效率提高11%，比「競(jìng)品1」提高155%。

表一：競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品分析：組件電源效率

以下，我們討論如何建構(gòu)滿足具體應(yīng)用要求的DPS系統(tǒng)。
如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流客制化
ATE系統(tǒng)都會(huì)針對(duì)每個(gè)被測(cè)件（DUT）制定負(fù)載電流要求 （圖三）。MAX32010設(shè)計(jì)中，只需更改一個(gè)檢流電阻值即可實(shí)現(xiàn)針對(duì)具體測(cè)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(jì)算公式為： RSENSE = 1V/IOUT例如，如果負(fù)載電流要求為5mA；5mA定制負(fù)載電流處于量程B范圍內(nèi)。選擇正確的 RSENSE: RSSENSE= RB = 1V/5mA = 200Ω。


 
圖三 : 利用感流電阻實(shí)現(xiàn)客制化負(fù)載電流選擇

如何增大輸出電流
多數(shù)情況下，DUT要求的電流可能高于DPS能夠提供的電流。透過(guò)將多個(gè)DPS組件并聯(lián)，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(lián)在一起，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)7V、2.4A的輸出電流。


 
圖四 : 兩片DPS并聯(lián)實(shí)現(xiàn)較高的輸出電流

提高DPS輸出驅(qū)動(dòng)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(xù)時(shí)間，脈沖式測(cè)量將是切實(shí)可行的選項(xiàng)，如圖五所示。如此測(cè)試的一個(gè)例子是DUT的I-V特征分析。透過(guò)更改FI導(dǎo)通時(shí)間的工作周期實(shí)現(xiàn)脈沖式測(cè)量。
在該測(cè)試中，DPS模式在50%的時(shí)間設(shè)定為FI模式，另外50%的時(shí)間設(shè)定為「高阻」模式。可根據(jù)DUT電流的要求更改工作周期。對(duì)于MAX32010 IC進(jìn)行了該項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)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(shí)，MAX32010的脈沖式測(cè)量輸出

為DPS系統(tǒng)選擇正確的散熱片
為了保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)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(guān)尺寸。對(duì)封裝進(jìn)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(qū)域非常重要。
【第2步】根據(jù)PCB熱特性計(jì)算熱阻值（θJA）的邊界條件。計(jì)算功率損耗，并將所有散熱介質(zhì)（傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射）納入考慮。
【第3步】計(jì)算封裝的溫度分布時(shí)，散熱器面積和散熱風(fēng)扇的氣流是兩個(gè)非常重要的變量（圖六）。切記IC的結(jié)溫應(yīng)保持低于熱關(guān)斷溫度。我們?cè)陟o止空氣環(huán)境下的測(cè)試分析顯示，為了保證結(jié)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(zhǎng)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(jié)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(jié)
本文為自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供組件電源（DPS） IC的選型指南。文中討論的注意事項(xiàng)可協(xié)助客戶針對(duì)其具體的ATE系統(tǒng)需求合理選擇DPS IC。文中同時(shí)介紹能夠滿足ATE系統(tǒng)輸出電流、熱要求的最佳系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)。
（本文作者M(jìn)adhura Tapse為ADI公司應(yīng)用高階技術(shù)人員）