Wykorzystanie przekaźników półprzewodnikowych w celu uzyskania niezawodnych, szybko przełączających i niskostratnych półprzewodnikowych zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych

Popyt na układy scalone (IC) jest większy niż kiedykolwiek wcześniej, ponieważ obniżają one koszty prac rozwojowych nad sprzętem, sprzyjają miniaturyzacji urządzeń elektronicznych i zapewniają szeroki zakres funkcji. Aby zapewnić odpowiednią jakość dużych partii produkcyjnych, producenci półprzewodników wymagają niezawodnych i kompaktowych zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych (ATE), które są w stanie szybko przełączać prądy stałe i zmienne o wysokiej częstotliwości przy niskich i wysokich poziomach sygnału oraz minimalnych stratach.

Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) oparte na tranzystorach fotowoltaicznych MOSFET idealnie nadają się do testerów układów scalonych oraz do zastosowań wykorzystujących zautomatyzowane urządzenia pomiarowe (ATE). Szczególnie interesujące są ich miniaturowe rozmiary i odporność na zużycie.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono wymagania dotyczące zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych (ATE). Następnie przedstawiono różne typy przekaźników fotowoltaicznych MOSFET z serii przekaźników półprzewodnikowych (SSR) PhotoMOS firmy Panasonic i podkreślono różnice w geometrii komponentów i charakterystykach przełączania. Temat zamykają wskazówki projektowe dotyczące przyspieszonego włączania i wyłączania oraz redukcji prądów upływu charakterystycznych dla urządzeń PhotoMOS.

Wysoka gęstość i krótkie ścieżki sygnałowe

Zautomatyzowany tester układów scalonych wchodzi w kontakt z urządzeniem badanym (DUT) za pomocą gęsto upakowanych adapterów igłowych (kart sond) w celu przeprowadzenia prób funkcjonalnych. Moduły w głowicy testowej generują i rozdzielają szybkie impulsy testowe, dostarczają odpowiedniego napięcia i przełączają kanały pomiarowe. Każda próba musi odbywać się w ograniczonej przestrzeni, aby zminimalizować straty linii, czasy propagacji sygnału, zakłócenia i przesłuchy w kanałach.

W tym celu projektanci mogą użyć małoformatowych elementów przełączających, takich jak przekaźniki z serii AQ firmy Panasonic. Na przykład sterowany napięciem przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) PhotoMOS typu CC AQY2C1R6PX jest dostarczany w obudowie TSON o powierzchni 3,51mm²) (1,95 × 1,80mm) (ilustracja 1). Wykorzystuje on sprzężenie pojemnościowe w celu zapewnienia ochrony izolacyjnej 200V i jest sterowany napięciowo, dzięki czemu wymaga mocy sterującej zaledwie 1,2mW.

Ilustracja 1: wymiary obudowy przekaźników małosygnałowych PhotoMOS z serii AQ - podano w milimetrach. (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Sterowany prądowo przekaźnik PhotoMOS na częstotliwości radiowe (typu RF) AQY221R6TW zajmuje niewielką powierzchnię 3,8mm², ale jego obudowa VSSOP jest 3,6 razy wyższa niż AQY2C1R6PX. Wymaga on tylko 75mW mocy sterującej i wykorzystuje sprzężenie optyczne do zapewnienia izolacji ochronnej 200V. Prąd upływu (I_Leak) w typach CC i RF jest bardzo niski i wynosi 10nA.

Ilustracja 2 przedstawia zasadę działania obwodu przekaźników typu CC ze sprzężeniem pojemnościowym (po lewej) oraz przekaźników typu RF ze sprzężeniem optycznym (po prawej).

Ilustracja 2: przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) PhotoMOS typu CC AQY2C1R6PX (po lewej) wykorzystuje sprzężenie pojemnościowe i jest sterowany napięciowo; typ AQY221R6TW RF (po prawej) wykorzystuje sprzężenie optyczne i jest sterowany prądowo. (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Typ GE AQV214EHAX wykorzystuje również sprzężenie optyczne i oferuje znacznie wyższą izolację ochronną do 5kV pomiędzy obwodem sterującym (IN) i obwodem obciążenia (OUT). Posiada większą obudowę 6-SMD o wymiarach 8,8mm x 6,4mm z odprowadzeniami skrzydełkowymi. Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) z serii GE wymagają mocy sterującej zaledwie 75mW i przełączają prądy obciążeniowe do 150mA przy maksymalnym napięciu 400V.

Optymalizacja rezystancji zestykowej i pojemności wyjściowej

Przekaźniki półprzewodnikowe mają rezystancję w stanie włączenia (R_on) i pojemność wyjściową (C_out) na poziomach powodujących odpowiednio straty cieplne i prądy upływu, co jest typowe dla półprzewodników. Różne typy przekaźników są optymalizowane pod kątem jednego lub drugiego parametru w zależności od rodzaju przełączanego sygnału.

Typy przekaźników półprzewodnikowych (SSR) o szczególnie niskiej rezystancji R_on powodują mniejsze tłumienie podczas przełączania impulsów testowych prądu zmiennego o wysokiej częstotliwości. Przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) o niskiej pojemności C_out umożliwiają dokładniejsze pomiary sygnałów prądu stałego, podczas gdy typy o wysokiej pojemności C_out są odpowiednie do przełączania wyższych poziomów mocy. Ilustracja 3 przedstawia zautomatyzowany system do testowania półprzewodników i ukazuje, które typy przekaźników PhotoMOS najlepiej nadają się do różnych ścieżek sygnałowych w module pomiarowym głowicy testowej.

Ilustracja 3: każda ścieżka sygnałowa w tym zautomatyzowanym systemie do testowania półprzewodników wymaga określonego typu przekaźnika PhotoMOS. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Przekaźniki PhotoMOS AQY2C1R3PZ oraz AQY221N2TY charakteryzują się niską pojemnością C_out odpowiednio 1,2 i 1,1pF. Pozwala im to na włączanie i wyłączanie w czasie do 10 i 20µs (AQY2C1R3PZ) oraz 10 i 30µs (AQY221N2TY). Kompromisem dla obu przekaźników jest wyższa rezystancja R_on, odpowiednio 10,5 i 9,5Ω, która skutkuje wyższymi stratami i nagrzewaniem się komponentów. Omawiane przekaźniki PhotoMOS są odpowiednie do szybkiego przełączania sygnałów pomiarowych przy niskim przepływie prądu oraz generują mniejsze odbicia i przesunięcia fazowe w przypadku sygnałów wysokiej częstotliwości.

Omówione wcześniej przełączniki AQY2C1R6PX i AQY221R6TW są bardziej odpowiednie do wolniej przełączanych sygnałów zasilania i napięć zasilania o wyższych prądach. Podczas gdy ich niższa rezystancja R_on powoduje mniejsze nagrzewanie się komponentów, ich wyższa pojemność C_out powoduje całkowanie sygnałów.

Minimalizacja zniekształceń sygnału

Przekaźniki półprzewodnikowe, które reprezentują tylko prosty przełącznik włącz-wyłącz (1 Form A), są przykładami fototriaków w przypadku sygnałów prądu zmiennego lub sprzęgaczy optycznych z tranzystorami bipolarnymi w przypadku impulsowych sygnałów prądu stałego. Urządzenia te skutkują zniekształceniami sygnału obciążenia spowodowane wartościami progowymi, napięciami zapłonu i opóźnieniami przełączania. Ponadto wsteczne prądy regeneracji mogą generować przeregulowania harmoniczne (oscylacje komutacyjne) oraz prądy upływu o wartości od kilkudziesięciu do kilkuset miliamperów (mA).

Półmostek FET z obwodem sterownika w przekaźnikach PhotoMOS firmy Panasonic minimalizuje wspomniane zniekształcenia sygnału, dlatego mogą one być używane do niskostratnego przełączania małych sygnałów prądu zmiennego i stałego, takich jak szybkie impulsy testowe, sygnały pomiarowe i napięcia zasilania. W stanie wyłączenia prądy upływu między dwoma połączeniami wyjściowymi OUT są niższe od 1µA.

Przekaźniki PhotoMOS są dostępne w wariancie jednobiegunowym ze stykiem zwiernym (SPST-NO, Form A) lub w wariancie jednobiegunowym ze stykiem rozwiernym (SPST-NC, Form B), a także jako ich wielokrotność. Łącząc warianty (NO, Form A) i rozwierne (NC, Form B), projektanci mogą budować inne przełączniki, na przykład jednobiegunowe ze stykiem przełączanym (SPDT) czy dwubiegunowe ze stykami przełączanymi (DPDT).

Na przykład poczwórny przekaźnik PhotoMOS (4SPST-NO) AQS225R2S w obudowie SOP16 może obsługiwać maksymalny prąd 70mA przy napięciach przełączania do 80V. Natomiast urządzenie AQW214SX jest podwójnym przekaźnikiem PhotoMOS (2SPST-NO) w obudowie SOP8, który może obsługiwać prądy obciążeniowe do 80mA przy napięciach przełączania do 400V.

Ilustracja 4 przedstawia wewnętrzną strukturę przekaźnika półprzewodnikowego (SSR), przekaźnika PhotoMOS i fotosprzęgacza wraz z typowymi zniekształceniami sygnału. Przekaźniki PhotoMOS nie powodują obcinania sygnału ani podobnych zniekształceń w obciążeniach rezystancyjnych.

Ilustracja 4: przekaźniki półprzewodnikowe (SSR) i fotosprzęgacze skutkują zniekształceniami sygnału wyjściowego spowodowanymi przez napięcia progowe i napięcia zapłonu; przekaźniki PhotoMOS przełączają sygnały prądu zmiennego i stałego bez zniekształceń. (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Aby osłabić efekt sprzężenia zwrotnego obciążeń indukcyjnych i pojemnościowych, chroniąc w ten sposób stopień wyjściowy urządzeń PhotoMOS, projektanci muszą dodać po stronie wyjściowej diody ograniczające i gaszące, filtry RC i LC lub warystory. W serii CC diody ograniczające chronią oscylator wejściowy przed nadmiernymi napięciami szczytowymi i ograniczają sygnał sterujący do wartości pomiędzy 3V i 5,5V, podczas gdy filtry RC zapewniają tętnienia resztkowe poniżej ±0,5V.

Obniżanie prądów upływu

Pojemność C_out w przekaźnikach PhotoMOS służy jako droga obejściowa dla prądów zmiennych i sekwencji impulsów o wyższej częstotliwości, gdy przekaźnik nie jest zasilany. Aby znacznie zmniejszyć takie prądy upływu i zmaksymalizować izolację przy wysokich częstotliwościach, firma Panasonic zaleca stosowanie trzech oddzielnych przekaźników PhotoMOS w układzie T (ilustracja 5, po lewej). W głównej ścieżce sygnałowej dwa przekaźniki 1 Form A PhotoMOS, S1 i S2, charakteryzują się niską rezystancję R_on, natomiast przełącznik zwarciowy, S3 posiada niską pojemność C_out.

Ilustracja 5: gdy S1 i S2 nie są zasilane, włączony przekaźnik S3 zwiera wszystkie prądy upływu (stan wyłączenia obwodu T, po prawej). (Źródło ilustracji: Panasonic, zmodyfikowane przez autora)

Stan włączenia obwodu T (ilustracja 5, na środku): w przypadku włączenia S1 i S2, ich rezystancja R_on minimalnie tłumi poziom sygnału, podczas gdy niska pojemność C_out wyłączonego przekaźnika S3 lekko tłumi wysokie częstotliwości (działanie dolnoprzepustowe).

Stan wyłączenia obwodu T (ilustracja 5, po prawej): Jeżeli S1 i S2 nie są zasilane, ich C_out stanowi obejście dla wysokich częstotliwości (górnoprzepustowe), ale włączony przekaźnik S3 zwiera sygnały pojemnościowo przepuszczone przez S1 (obwód ssący).

Synchronizacja włączania-wyłączania obwodu T musi być realizowana w postaci przełącznika z zestykiem przełączanym przerwowym (BBM). W związku z tym S1 i S2 powinny zostać dezaktywowane przed włączeniem S3. W odniesieniu do przekaźników, zestyk przełączany przerwowy (BBM) oznacza, że styki przełączają się oddzielnie, podczas gdy zestyk przełączany bezprzerwowy (MBB) oznacza, że przełączają się one w sposób mostkowy.

Szybsze przełączanie przekaźników PhotoMOS

Wewnętrzny fotoczujnik przekaźnika PhotoMOS działa jak ogniwo słoneczne i dostarcza prąd ładowania bramki. W związku z tym jaśniejsze impulsy świetlne z diody LED zwiększają szybkość przełączania. Na przykład element typu bootstrap R1/R2/C1 na ilustracji 6 generuje wyższe impulsy prądowe.

Ilustracja 6: element typu bootstrap R1/R2/C1 zwiększa szybkość włączania przekaźnika PhotoMOS. (Źródło ilustracji: Panasonic)

Pojemność C1 działa jak zwarcie dla rezystancji R2 w momencie włączenia, więc niska rezystancja R1 umożliwia przepływ wysokiego prądu. Jeśli pojemność C1 jest naładowana i ma wysoką rezystancję, dodaje się rezystancja R2, zmniejszając przepływ do poziomu prądu podtrzymania, tak jak w przypadku przekaźników magnetycznych. W ten sposób skraca się czas włączania przekaźnika PhotoMOS AQV204 ze 180µs do 30µs.

Podsumowanie

Stosując niewielkie, odporne na zużycie przekaźniki PhotoMOS, projektanci mogą poprawić gęstość sygnałów w zastosowaniach ze zautomatyzowanymi urządzeniami pomiarowymi (ATE) oraz szybkość pomiarów, zmniejszając jednocześnie potrzeby w zakresie konserwacji. Ponadto przestrzeganie zalecanych technik projektowania może pomóc w zminimalizowaniu prądów upływu i czasów przełączania.