Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Povpraševanje po integriranih vezjih (IC-ji) je večje kot kdajkoli prej, saj znižajo stroške razvoja strojne opreme, spodbujajo miniaturizacijo elektronskih naprav in zagotavljajo širok razpon funkcij.
Za zagotavljanje kakovosti velikih proizvodnih serij potrebujejo proizvajalci polprevodnikov zanesljivo in kompaktno avtomatizirano preizkusno opremo (ATE), ki lahko hitro preklaplja med visokofrekvenčnim izmeničnim (AC) in enosmernim (DC) tokom z nizkimi in visokimi ravnmi signala ter minimalno izgubo. Polprevodniški releji (SSR-ji) na osnovi fotovoltaičnih MOSFET-ov so idealni za testerje IC in uporabo na področju ATE. Še posebej so zanimivi njihova miniaturna velikost in lastnosti, ki preprečujejo obrabo.
V tem članku so na kratko opisane zahteve za ATE. Nato so predstavljene različne vrste fotovoltaičnih relejev MOSFET iz serije SSR-jev PhotoMOS podjetja Panasonicter izpostavljene njihove razlike glede na geometrijo komponent in karakteristik preklapljanja. Temo zaključujejo nasveti za razvoj pospešenega vklapljanja/izklapljanja in zniževanja slepih tokov, specifičnih za PhotoMOS.
Visoka gostota pakiranja in kratke signalne poti
Avtomatiziran IC tester naredi stik z napravo, ki se jo preizkuša (DUT), z gosto pakiranimi igličnimi adapterji (preizkusne kartice) za izvedbo funkcionalnega preizkušanja. Moduli v preizkusni glavi ustvarijo in porazdelijo preizkusne impulze visoke hitrosti, dovajajo ustrezne napetosti in preklapljajo med meritvenimi kanali. Vsak preizkus se mora odviti v omejenem prostoru, da se do največje mere zmanjša izgube v vodih, čas razširjanja signala, motnje in presluh med kanali. Za to nalogo lahko oblikovalci uporabijo elemente za preklapljanje majhnega formata, kot so releji serije AQ podjetja Panasonic.
Na primer, z napetostjo nadzorovani AQY2C1R6PX SSR PhotoMOS tipa CC je na voljo v TSON ohišju, ki zaseda 3,51 kvadratnih milimetrov (mm2) (1,95 × 1,80 mm) (slika 1). Uporablja kapacitivni sklop za zagotavljanje 200voltne izolacijske zaščite in se ga nadzoruje z napetostjo, kar zahteva samo 1,2 milivatov (mW) krmilne moči.
S tokom krmiljen rele PhotoMOS AQY221R6TW tipa RF zasede majhno površino 3,8 mm², a je njegovo VSSOP ohišje 3,6-krat višje kot pri AQY2C1R6PX. Zahteva samo 75 mW krmilne moči in uporablja optični sklop za zagotavljanje 200 voltov zaščitne izolacije. Slepi tok (ILeak) CC in RF je zelo nizek, in sicer 10 nanoamperov (nA).
Slika 2 prikazuje načelo vezja relejev tipa CC s kapacitivnim sklopom (levo), tip RF pa z optičnim sklopom (desno).
Rele AQV214EHAX tipa GE uporablja tudi optični sklop in ponuja bistveno večjo zaščitno izolacijo do 5 kilovoltov (kV) med krmilnim vezjem (IN) in bremenskim vezjem (OUT). Dobavljen je v večjem 6-SMD ohišju z V-lomom priključkov, ki merijo 8,8 × 6,4 mm. Ker zahtevajo samo 75 mW krmilne moči, releji SSR iz serije GE preklapljajo med obremenitvenimi tokovi z do 150 mA pri maksimalno 400 voltih.
Optimizacija kontaktne upornosti in izhodne kapacitivnosti
Kot je običajno za polprevodnike, imajo SSR-ji upor »on« (Ron) in izhodno kapacitivnost (Cout), ki povzročata toplotno izgubo oziroma slepi tok. Različni tipi relejev so optimizirani za eno ali drugo, odvisno od vrste signala za preklapljanje. Tipi SSR s še posebej nizkim Ron povzročijo manj slabitev pri preklopu visokofrekvenčnih preizkusnih impulzov z izmeničnim tokom. SSR-ji z nizkim Cout omogočajo bolj natančne meritve za enosmerne signale, tipi z visokim Cout pa so primerni za preklapljanje moči višjih ravni. Slika 3 prikazuje sistem za avtomatizirano polprevodniško preizkušanje in ponazarja, katere vrste PhotoMOS relejev so najbolj primerne za različne signalne poti v merilnem modulu preizkusne glave.
PhotoMOS AQY2C1R3PZ in AQY221N2TY releja imata nizek Cout, in sicer 1,2 oz. 1,1 pikofaradov (pF). To omogoča, da se vklopita in izklopita s hitrostjo do 10 in 20 mikrosekund (µs) (AQY2C1R3PZ) oz. 10 in 30 µs (AQY221N2TY). Kompromis pri tem je, da imata oba releja višji Ron, 10,5 oz. 9,5 Ω, kar vodi v večje izgube in segrevanje komponent. Ta releja PhotoMOS sta primerna za hitro preklapljanje merilnih signalov z nizkim pretokom toka in ustvarita manj odboja/faznega premika z visokofrekvenčnimi signali. Zgoraj omenjena AQY2C1R6PX in AQY221R6TW sta bolj primerna za počasnejše preklapljanje močnostnih signalov in napajalnih napetosti z višjimi toki. Medtem ko njun Ron povzroča manj segrevanja komponent, ima večji Cout integratorski učinek na signale.
Minimaliziranje popačenja signala
Polprevodniški releji, ki predstavljajo preprosto stikalo za vklop/izklop (1 oblika A) so primeri fototriakov za izmenične signale ali optičnih sklopnikov z bipolarnimi tranzistorji za pulzirajoče enosmerne signale. Te naprave povzročajo popačenja v signalu na bremenu zaradi mejnih, vžignih napetosti in stikalnih zakasnitev. Poleg tega lahko RR (reverse recovery) tokovi ustvarijo harmonična špšačenja in slepe tokove od 10 do 100 miliamperov (mA). S FET narejen polmostič z osnovnim krmilnim vezjem z PhotoMOS releji podjetja Panasonic minimalizira ta popačenja signalov, zato so primerni za preklapljanje z nizkimi izgubami majhnih izmeničnih in enosmernih signalov, kot so preizkusni impulzi visoke hitrosti, merilni signali in napajalne napetosti. Ko so izklopljeni, so slepi tokovi med obema povezavama OUT manj kot 1 mikroamper (µA). PhotoMOS releji so na voljo v obliki A (en pol, en preklop, normalno odprt kontakt (SPST-NO)) ali obliki B (običajno zaprt kontakt, SPST-NC) in kot večkratni. Razvijalci lahko zgradijo stikala oblike C, kot so enopolna stikala z dvojnim preklopom (SPDT), enopolna preklopna stikala in dvopolna stikala z dvojnim preklopom (DPDT), z združevanjem naprav oblike A in oblike B.
Na primer, AQS225R2S je štirikratni rele PhotoMOS (4SPST-NO) v SOP16 ohišju, ki lahko prenese največ 70 mA pri napetostih preklapljanja do 80 voltov. Prav tako je AQW214SX dvojni rele PhotoMOS (2SPST-NO) v SOP8 ohišju, ki lahko prenese obremenitvene tokove do 80 mA pri stikalnih napetostih do 400 voltov. Slika 4 prikazuje interno strukturo SSR-ja, PhotoMOS-a in optosklopnika, skupaj z običajnim popačenji signala. PhotoMOS releji ne povzročajo prekinitev signala ali podobnih popačenj pri ohmskih obremenitvah.
Za ublažitev učinka povratnega signala induktivnih in kapacitivnih stikalnih obremenitev in s tem za zaščito PhotoMOS izhodne stopnje morajo razvijalci dodati omejilne diode, filtre RC in LC ali varistorje na izhodni strani. V seriji CC omejilne diode ščitijo vhodni oscilator pred prenapetostmi in omejijo krmilni signal na 3 do 5,5 volta, medtem ko RC filtri zagotavljajo preostalo napetost manjšo kot ± 0,5 volta.
Zmanjšanje slepih tokov
Vrednost Cout PhotoMOS relejev služi kot obvod za izmenične signale in zaporedja impulzov višje frekvence, kadar je rele odklopljen od vira energije. Za bistveno zmanjšanje takšnih slepih tokov in maksimiranje izolacije pri visokih frekvencah Panasonic priporoča uporabo treh ločenih PhotoMOS relejev v obliki T-tokokroga (slika 5, levo). Na glavni signalni poti sta releja PhotoMOS, 1 oblika A, S1 in S2, tipa nizki Ron, medtem ko tip nizki Cout predstavlja kratkostično stikalo, 1 oblika A, S3.
Stanje ON T-tokokroga (slika 5, središče): v primeru, da sta S1 in S2 vklopljena, njun Ron minimalno ublaži stopnjo signala, medtem ko nizki Cout iz izklopljenega releja S3 rahlo ublaži visoke frekvence (nizkopasovno). Stanje OFF T-tokokroga (slika 5, desno): če sta S1 in S2 odklopljena od vira energije, njun Cout predstavlja obhod za visoke frekvence (visokopasovno), vendar vklopljeni rele S3 ustvari kratki stik za signale, ki so kapacitivno podani skozi S1 (sesalni tokokrog).
Uvesti je treba časovno uskladitev vklopa/izklopa (ON/OFF) T-tokokroga kot BBM (angl. break before make) stikalo. V skladu s tem je treba deaktivirati S1 in S2 pred vklopom S3. Pri relejih BBM pomeni, da kontakti preklopijo ločeno, medtem ko vklop pred premorom (MBB) pomeni, da preklopijo na premostitven način.
Hitrejše preklapljanje relejev PhotoMOS
Interno fototipalo releja PhotoMOS deluje kot solarna celica in prehodu dovaja polnilni tok. Tako svetlejši svetlobni impulz iz LED povečajo hitrost preklapljanja. Na primer, element »bootstrap« R1/R2/C1 na sliki 6 ustvari impulz višjega toka.
C1 deluje kot kratki stik za R2 v trenutku vklopa, zato nizka upornost R1 omogoča pretok visokega toka. Če je C1 napolnjen in ima visoko upornost, se doda R2, kar zmanjša pretok na držalni tok, kot pri magnetnih relejih. Rele PhotoMOS AQV204 tako skrajša čas svojega vklapljanja z 180 µs na 30 µs.
Zaključek
Z majhnimi in odpornimi PhotoMOS releji lahko razvijalci izboljšajo gostoto signala in hitrost merjenja na področjih uporabe za ATE, ob tem pa zmanjšajo potrebo po vzdrževanju. Poleg tega lahko naslednje priporočene oblikovalske tehnike pomagajo zmanjšati slepe tokove in čase preklapljanja.
*SSR je angleška okrajšava za Solid State Relay in pomeni rele narejen na osnovi polprevodnika
