Hur man använder Solid state-reläer för att skapa tillförlitlig, snabbväxlande automatiserad testutrustning för halvledare med låga förluster

Integrerade kretsar är mer efterfrågade än någonsin eftersom de minskar utvecklingskostnaderna för hårdvara, främjar miniatyriseringen av elektroniska enheter och tillhandahåller ett brett spektrum av funktioner. För att garantera kvaliteten i stora produktionsserier måste halvledartillverkare ha tillförlitlig och kompakt automatiserad testutrustning (ATE) som snabbt kan växla högfrekventa växel- och likströmmar med låga eller höga signalnivåer och minimal förlust.

Solid state-reläer (SSR) baserade på fotovoltaiska MOSFET:ar är perfekt för kretstestare och automatiserad testutrustning. Deras minimala storlek och slitagefria egenskaper är särskilt intressanta.

Artikeln går kortfattat igenom kraven för automatiserad testutrustning. Därefter presenteras olika typer av fotovoltaiska Solid stater-reläer med MOSFET i serien PhotoMOS från Panasonic, och deras skillnader i komponentgeometri och växlingsegenskaper belyses. Konstruktionstips för snabbare på/av-växling och minskning av PhotoMOS-specifika läckströmmar avrundar ämnet.

Hög packningsdensitet och korta signalvägar

En automatiserad kretstestare får kontakt med den testade enheten (DUT) med hjälp av tätt packade nåladaptrar (probkort) vid funktionstest. Testhuvudets moduler genererar och distribuerar testpulser med hög hastighet, levererar lämpliga spänningar och växlar mätkanaler. Respektive test måste utföras i ett begränsat utrymme för att minimera linjeförluster, signalspridningstider, störningar och kanalöverhörning.

För denna uppgift kan konstruktörer använda små växlingskomponenter, som t.ex. reläer i serien AQ från Panasonic. Den spänningsstyrda AQY2C1R6PX som är ett Solid state-relä med PhotoMOS i en TSON-kapsling på 3,51 ^mm2 (1,95 x 1,80 mm) (figur 1). Det använder en kapacitiv koppling för att ge 200 V isolationsskydd och är spänningsstyrt, vilket endast kräver 1,2 mW styreffekt.

Bild 1: Här visas kapslingarnas mått för PhotoMOS-reläer i serien AQ för låga signaler. Måtten anges i millimeter. (Bildkälla: Panasonic, redigerad av författaren)

Det strömstyrda PhotoMOS-reläet AQY221R6TW av typen RF har ett litet format på 3,8 mm², men dess VSSOP-kapsling är 3,6 gånger högre än AQY2C1R6PX. Det kräver endast 75 mW styreffekt och använder en optisk koppling för en skyddsisolation på 200 V. Läckströmmen (I_Leak) för typerna CC och RF är mycket låg, 10 nA.

Figur 2 visar kretsprincipen för reläer av typ CC med kapacitiv koppling (vänster) och typ RF med optisk koppling (höger).

Figur 2: Solid state-reläet AQY2C1R6PX med PhotoMOS av typen CC (vänster) använder en kapacitiv koppling och är spänningsdriven; AQY221R6TW av typ RF (höger) använder en optisk koppling och är strömdriven. (Bildkälla: Panasonic, redigerad av författaren)

AQV214EHAX av typen GE använder också en optisk koppling men erbjuder betydligt högre skyddsisolation på upp till 5 kV mellan styrkretsen (IN) och lastkretsen (OUT). Den levereras i en större 6-SMD kapsling med måtten 8,8 x 6,4 mm med "måsvingeanslutningar". Solid state-reläer i serien GE-serien kräver endast 75 mW styreffekt och växlar lastströmmar på upp till 150 mA vid maximalt 400 V.

Optimering av kontaktresistans och utgångskapacitans

Som vanligt för halvledare har Solid state-reläer en "på"-resistans (R_on) och en utgångskapacitans (C_out) som orsakar värmeförluster respektive läckströmmar. Olika typer av reläer optimerar för det ena eller det andra beroende på vilken typ av signal som ska växlas.

Solid stater-reläer med särskilt låg R_on ger mindre dämpning vid växling av testpulser med högfrekvent växelström. Solid state-reläer med låg C_out möjliggör mer exakta mätningar av likströmssignaler, medan typer med hög C_out är lämpliga för växling av högre effektnivåer. Bild 3 visar ett automatiserat system för test av halvledare och illustrerar vilka relätyper med PhotoMOS som är bäst lämpade för olika signalvägar i testhuvudets mätmodul.

Bild 3: Respektive signalväg i detta automatiserade system för test av halvledare kräver en särskild typ av PhotoMOS-relä. (Bildkälla: Panasonic)

PhotoMOS-reläerna AQY2C1R3PZ och AQY221N2TY har en låg C_out på 1,2 respektive 1,1 pF. Det innebär att de kan slå på och av vid upp till 10 och 20 µs (AQY2C1R3PZ), och 10 och 30 µs (AQY221N2TY). Kompromissen för båda reläerna är ökad R_on, på 10,5 respektive 9,5 Ω, vilket medför högre förluster och uppvärmning av komponenter. PhotoMOS-reläerna är bra vid snabb växling av mätsignaler med lågt strömflöde, och de genererar mindre reflektion/fasförskjutning med högfrekventa signaler.

AQY2C1R6PX och AQY221R6TW som diskuterades tidigare är mer lämpade för långsammare strömsignaler och matningsspänningar med högre strömmar. Medan deras lägre R_on orsakar mindre värme i komponenterna, har deras större C_out en integrerande effekt på signalerna.

Minimering av signaldistorsion

Halvledarreläer som endast utgör en enkel till/från-omkopplare (1 form A) är exempel på fototriacs för växelströmssignaler eller optokopplare med bipolära transistorer för pulserande likströmssignaler. Enheterna orsakar distorsion i lastsignalen på grund av gränsvärden, tändspänningar och växlingsfördröjningar. Dessutom kan återhämtningsströmmar generera övertoner (ringning) och läckströmmar på 10 till 100 mA.

FET-halvbryggan med drivkrets i PhotoMOS-reläerna från Panasonic minimerar denna signaldistorsion, vilket gör dem lämpliga för växling med låga förluster av små växel- och likströmssignaler såsom pulser med hög hastighet, mätsignaler och matningsspänningar. I frånslaget läge är läckströmmarna mellan de två OUT-anslutningarna lägre än 1 µA.

PhotoMOS-reläer finns i format A (enpolig, envägs, normalt bruten kontakt (SPST-NO)) eller format B (normalt sluten kontakt, SPST-NC) och som multiplar. Konstruktörer kan bygga omkopplare av form C, t.ex. enpoliga, tvåvägs (SPDT), enpoliga växlande omkopplare och tvåpoliga, tvåvägs (DPDT) omkopplare genom att kombinera enheter med format A och format B.

AQS225R2S är exempelvis ett fyrdubbelt PhotoMOS-relä (4SPST-NO) i en SOP16-kapsling som kan hantera maximalt 70 mA vid växlingsspänningar på upp till 80 V. AQW214SX är ett dubbelt PhotoMOS-relä (2SPST-NO) i en SOP8-kapsling som kan hantera lastströmmar på upp till 80 mA vid växlingsspänningar på upp till 400 V.

Figur 4 visar den interna konstruktionen i ett Solid state-relä, PhotoMOS och en fotokopplare, tillsammans med deras typiska signaldistorsion. PhotoMOS-reläer orsakar inte signalklippning eller liknande störningar vid resistiva laster.

Bild 4: Solid state-reläer och fotokopplare orsakar distorsion i utsignalen på grund av gränsvärdes- och tändspänningar; PhotoMOS-reläer växlar växel-och likströmssignaler utan distorsion. (Bildkälla: Panasonic, redigerad av författaren)

För att dämpa återkopplingseffekten från induktiva och kapacitiva växlingslaster och därmed skydda slutsteget i PhotoMOS:en måste konstruktörer lägga till back- och tillbakagångsdioder, RC- och LC-filter eller varistorer på utgångssidan. I serien CC skyddar begränsningsdioder ingångsoscillatorn från överspänningstoppar och begränsar styrsignalen till 3 till 5,5 V, medan RC-filter garanterar en återstående rippel på mindre än ±0,5 V.

Minskning av läckströmmar

C_out i PhotoMOS-reläer fungerar som en förbikoppling för växelströmmar och pulssekvenser med högre frekvens när reläet är energilöst. För att minska sådana läckströmmar och maximera isoleringen vid höga frekvenser avsevärt, rekommenderar Panasonic att man använder tre separata PhotoMOS-reläer i form av en T-krets (figur 5, vänster). I huvudsignalvägen har de två PhotoMOS-reläerna i format A, S1 och S2, låg R_on, medan kortslutningsomkopplaren S3 i format A, har låg C_out.

Figur 5: När S1 och S2 är energilösa agerar det tillslagna reläet S3 som en kortslutning för alla läckströmmar (T-kretsens AV-läge, höger). (Bildkälla: Panasonic, redigerad av författaren)

T-kretsens PÅ-läge (figur 5, mitten): När S1 och S2 är tillslagna dämpar deras R_on signalnivån minimalt, medan den låga C_out i det frånslagna S3-reläet dämpar höga frekvenser en aning (lågpass).

T-kretsens AV-läge (figur 5, höger): Om S1 och S2 är energilösa utgör deras C_out en förbikoppling för höga frekvenser (högpass), men det tillslagna S3-reläet kortsluter de signaler som kapacitivt passerar genom S1 (sugkrets).

T-kretsens PÅ-/AV-tid måste implementeras som en omkopplare med brytning före slutning. S1 och S2 bör därför inaktiveras innan S3 aktiveras. För reläer innebär brytning före slutning att kontakterna växlas separat, medan slutning före brytning innebär att de växlas på ett överbryggande sätt.

Snabbare växling av PhotoMOS-reläer

Den interna fotosensorn i PhotoMOS-reläet fungerar som en solcell och levererar grindens laddningsström. En ljusstarkare ljuspuls från lysdioden ökar därmed växlingshastigheten. Exempelvis genererar bootstrap-elementet R1/R2/C1 i figur 6 en högre strömpuls.

Figur 6: Bootstrap-elementet R1/R2/C1 ökar tillslagshastigheten för PhotoMOS-reläet. (Bildkälla: Panasonic)

C1 fungerar som en kortslutning för R2 i tillslagsögonblicket, så att den låga resistansen i R1 gör det möjligt för en hög ström att flöda. Om C1 är laddad och har hög resistans läggs R2 till, vilket minskar flödet till hållströmmen, som i magnetiska reläer. PhotoMOS-reläet AQV204 minskar därmed sin tillslagstid från 180 µs till 30 µs.

Sammanfattning

Genom att använda små, slitagefria PhotoMOS-reläer kan konstruktörer förbättra signaldensitet och mäthastighet i automatiserade testutrustningar, och samtidigt minska underhållsbehovet. Genom att följa rekommenderade konstruktionstekniker kan man dessutom minimera läckströmmar och växlingstider.