Slik bruker du SSR-er for pålitelig, raskt vekslende automatisk testutstyr for halvledere med lavt tap

IC-er (integrerte kretser) er mer etterspurt enn noensinne fordi de reduserer kostnader relatert til maskinvareutvikling, fremmer miniatyrisering av elektroniske enheter og tilbyr et bredt spekter av funksjoner. For å sikre kvaliteten til store produksjonspartier, krever halvlederprodusenter automatisert testutstyr (ATE – automatic test equipment) som er pålitelig og kompakt, og som raskt kan veksle høyfrekvente AC- og DC-strømmer med lave og høye signalnivåer og minimalt tap.

Halvlederreléer (SSR – solid-state relay) basert på fotovoltaiske MOSFET-er er ideelle for IC-testere og ATE-konstruksjoner. Miniatyrstørrelsen og de slitasjefrie egenskapene er spesielt interessante.

Denne artikkelen tar kort for seg ATE-krav. Den introduserer deretter forskjellige typer fotovoltaiske MOSFET-reléer fra Panasonic sin PhotoMOS-serie med halvlederreléer, og fremhever forskjellene i komponentgeometri og vekslingsegenskaper. Emnet konkluderer så med konstruksjonstips for akselerert på/av-veksling og reduksjon av PhotoMOS-spesifikke lekkasjestrømmer.

Høy pakketetthet og korte signalveier

En automatisert IC-tester får kontakt med enheten under test (DUT – device under test) ved å bruke tettpakkede nåladaptere (probekort) for å utføre funksjonstesting. Modulene i testhodet genererer og distribuerer høyhastighets testpulser, leverer egnede spenninger og veksler målingskanaler. Hver enkelt test må foregå i et innskrenket rom for å minimere linjetap, signalforplantningstider, interferens og kanalkrysstale.

For denne oppgaven kan konstruktører bruke bryterelementer med liten fysisk størrelse, for eksempel reléer i Panasonics AQ-serie. For eksempel kommer det spenningsstyrte CC-type AQY2C1R6PX PhotoMOS-halvreléet i en TSON-kapsling som opptar 3,51 kvadratmillimeter (mm²) (1,95 × 1,80 mm) (figur 1). Den bruker kapasitiv kobling for å gi isolasjonsbeskyttelse på 200 volt og er spenningsstyrt, og den krever en styringseffekt på kun 1,2 milliwatt (mW).

Figur 1: Her vises kapslingsdimensjonene for PhotoMOS-reléer i AQ-serien. Målene er i millimeter. (Bildekilde: Panasonic, modifisert av skribent)

Det strømstyrte RF-type AQY221R6TW PhotoMOS-reléet har et lite format på 3,8 mm², men VSSOP-kapslingen er 3,6 ganger høyere enn AQY2C1R6PX. Den krever en styringseffekt på kun 75 mW og bruker optisk kobling for å gi en beskyttende isolasjon på 200 volt. Lekkasjestrømmen (I_Leak) for CC- og RF-typene er svært lav på bare 10 nanoampere (nA).

Figur 2 viser kretsprinsippet for reléer av CC-typen med kapasitiv kobling (venstre) og RF-typen med optisk kobling (høyre).

Figur 2: AQY2C1R6PX CC-type PhotoMOS-halvlederreléet (SSR) (venstre) bruker kapasitiv kobling og er spenningsdrevet. AQY221R6TW RF-type (høyre) bruker optisk kobling og er strømdrevet. (Bildekilde: Panasonic, modifisert av skribent)

AQV214EHAX av GE-typen bruker også optisk kobling og tilbyr mye bedre beskyttelsesisolasjon på opptil 5 kilovolt (kV) mellom styringskretsen (IN) og lastkretsen (OUT). Den kommer i en større 6-SMD-kapsling som måler 8,8 mm x 6,4 mm med måkevinge-ledere. SSR-er fra GE-serien krever en styringseffekt på bare 75 mW, og de veksler laststrømmer på opptil 150 mA ved maksimalt 400 volt.

Optimalisere kontaktmotstand og utgangskapasitans

Halvlederreléer har en «on»-motstand (R_on) og en utgangskapasitans (C_out) som forårsaker henholdsvis varmetap og lekkasjestrøm, noe som er vanlig for halvledere. Forskjellige relétyper optimaliserer for den ene eller den andre, avhengig av hvilken signaltype som skal veksles.

Ulike typer halvlederreléer med spesielt lav R_on forårsaker mindre demping når høyfrekvente AC-testpulser veksles. Halvlederreléer med lav C_out muliggjør mer nøyaktige målinger for DC-signaler, mens typer med høy C_out er egnet for å veksle høyere effektnivåer. Figur 3 viser et automatisert halvledertestsystem og illustrerer hvilke PhotoMOS-relétyper som er best egnet for ulike signalbaner i testhodets målingsmodul.

Figur 3: Hver signalbane i dette automatiserte halvledertestsystemet krever en spesifikk PhotoMOS-relétype. (Bildekilde: Panasonic)

AQY2C1R3PZ og AQY221N2TY PhotoMOS-reléene har lav C_out, henholdsvis 1,2 og 1,1 pikofarad (pF). Dette gjør at de kan slås av og på i løpet av opptil 10 og 20 mikrosekunder (µs) (AQY2C1R3PZ), og 10 og 30 µs (AQY221N2TY). Kompromisset for begge reléene er økt R_on, henholdsvis 10,5 og 9,5 Ω, noe som resulterer i større tap og komponentoppvarming. Disse PhotoMOS-reléene er gode for rask veksling av målesignaler med lav strømflyt, og de genererer mindre refleksjon/faseforskyvning med høyfrekvente signaler.

AQY2C1R6PX og AQY221R6TW, som vi tok for oss tidligere, er bedre egnet for strømsignaler med tregere veksling og forsyningsspenninger med høyere strømmer. Deres lavere R_on forårsaker mindre komponentoppvarming, mens deres større C_out har en integratoreffekt på signalene.

Minimering av signalforvrengning

Halvlederreléer som kun representerer en enkel på/av-bryter (1 Form A) er eksempler på «phototriacs» for AC-signaler eller optokoblere med bipolare transistorer for pulserende DC-signaler. Disse enhetene forårsaker forvrengninger i lastsignalet på grunn av terskel, tennspenninger og vekslingsforsinkelser. I tillegg kan sperreforsinkelsesstrømmer generere oversvingninger (dempet svingning) og lekkasjestrømmer på flere 10 til 100 milliampere (mA).

FET-halvbroen med driverkrets i Panasonics PhotoMOS-reléer minimerer disse signalforvrengningene, og derfor egnetheten deres for veksling av små AC- og DC-signaler med lave tap, slik som høyhastighets testpulser, målesignaler og forsyningsspenninger. Når den er slått av, er lekkasjestrømmene mellom de to OUT-koblingene under 1 mikroampere (µA).

PhotoMOS-reléer er tilgjengelige i Form A (enpolet, enveis, normalt åpen kontakt (SPST-NO – single pole, single throw, normally open)) eller Form B (normalt lukket kontakt, SPST-NC), og som multiplum. Konstruktører kan konstruere Form C-brytere som enpolede, toveisbrytere (SPDT – single pole, double throw); enpolede omkoblere; og topolede, toveisbrytere (DPDT – double pole, double throw) ved å kombinere Form A- og Form B-enheter.

For eksempel er AQS225R2S et firedobbelt PhotoMOS-relé (4SPST-NO) i en SOP16-kapsling som kan håndtere maksimalt 70 mA ved vekslingsspenninger på opptil 80 volt. AQW214SX er også et dobbelt PhotoMOS-relé (2SPST-NO) i en SOP8-kapsling som kan håndtere laststrømmer på opptil 80 mA ved vekslingsspenninger på opptil 400 volt.

Figur 4 viser den interne strukturen til en SSR, PhotoMOS og en optokobler, samt deres typiske signalforvrengninger. PhotoMOS-reléer forårsaker ikke signalklipping eller lignende forvrengninger på ohmske laster.

Figur 4: SSR-er og optokoblere forårsaker forvrengninger i utgangssignalet på grunn av terskel- og tennspenninger. PhotoMOS-reléer veksler AC- og DC-signaler uten å forårsake forvrengning. (Bildekilde: Panasonic, modifisert av skribent)

For å dempe tilbakekoblingssvirkningen av induktive og kapasitive vekslingslaster, og dermed beskytte PhotoMOS-utgangstrinnet, må konstruktører legge til klem- og friløpsdioder, RC- og LC-filtre eller varistorer på utgangssiden. I CC-serien beskytter klemdioder inngangsoscillatoren mot overspenningstopper og begrenser styringssignalet til mellom 3 volt og 5,5 volt, mens RC-filtre sørger for at gjenværende rippel er mindre enn ±0,5 volt.

Reduksjon av lekkasjestrømmer

C_out for PhotoMOS-reléer fungerer som en forbikobling for vekselstrømmer og pulssekvenser med høyere frekvens når reléet ikke er strømsatt. For å redusere slike lekkasjestrømmer betydelig og maksimere isolasjon ved høye frekvenser, anbefaler Panasonic å bruke tre separate PhotoMOS-reléer i form av en T-krets (figur 5, venstre). I hovedsignalbanen er de to 1 Form A PhotoMOS-reléene, S1 og S2, typer med lav-R_on, mens en type med lav-C_out danner 1 Form A-kortslutningsbryteren, S3.

Figur 5: Når S1 og S2 ikke er strømsatt, fungerer det strømsatte S3-reléet som en kortslutning for alle lekkasjestrømmer (T-krets AV-tilstand, høyre). (Bildekilde: Panasonic, modifisert av skribent)

T-krets PÅ-tilstand (figur 5, midten): Når S1 og S2 er strømsatt, dempes R_on-signalnivået deres minimalt, mens den lave C_out fra det strømsatte S3-reléet i liten grad demper høye frekvenser (lavpass).

T-krets AV-tilstand (figur 5, høyre): Hvis S1 og S2 ikke er strømsatt, representerer C_out en forbikobling for høye frekvenser (høypass), men det strømsatte S3-reléet kortslutter signalene kapasitivt gjennom S1 (sugekrets).

PÅ/AV-timingen for T-kretsen må implementeres som en BBM-svitsj (BBM – break before make). Derfor bør S1 og S2 deaktiveres før S3 slås på. Med reléer betyr BBM at kontaktene veksles over separat, mens MBB (make before break) betyr at de veksles over på en kontaktdannende måte.

Raskere veksling av PhotoMOS-reléer

Den interne fotosensoren til PhotoMOS-reléet fungerer som en solcelle og forsyner strøm til gaten. Derfor vil en mer lyssterk lyspuls fra lysdioden øke vekslingshastigheten. For eksempel genererer bootstrap-elementet R1/R2/C1 i figur 6 en høyere strømpuls.

Figur 6: Bootstrap-elementet R1/R2/C1 øker innkoblingshastigheten til PhotoMOS-reléet. (Bildekilde: Panasonic)

C1 fungerer som kortslutning for R2 når den slås på, slik at den lave motstanden til R1 muliggjør høy strømflyt. Hvis C1 er ladet og har høy motstand, legges R2 til, noe som reduserer flyten til holdestrømmen, slik som er tilfellet med magnetiske reléer. AQV204 PhotoMOS-reléet reduserer dermed innkoblingstiden fra 180 µs til 30 µs.

Konklusjon

Ved å bruke små, slitasjefrie PhotoMOS-reléer kan konstruktører forbedre signaltettheten og målehastigheten til ATE-konstruksjoner, samtidig som vedlikeholdsbehovet reduseres. I tillegg kan bruken av anbefalte konstruksjonsteknikker bidra til å minimere lekkasjestrømmer og vekslingstider.