Jak používat SSR pro spolehlivá rychle spínaná polovodičová automatická testovací zařízení s nízkými ztrátami

Integrované obvody („integrated circuit, IC) jsou žádanější než kdy jindy, protože snižují náklady na vývoj hardwaru, podporují miniaturizaci elektronických zařízení a poskytují širokou škálu funkcí. K zajištění kvality velkých výrobních dávek vyžadují výrobci polovodičů spolehlivé a kompaktní automatické testovací zařízení (ATE), které dokáže rychle přepínat vysokofrekvenční střídavé a stejnosměrné proudy s nízkou a vysokou úrovní signálu a minimálními ztrátami.

Pro testery IC a aplikace ATE jsou ideální polovodičová relé („solid-state relay“, SSR) založená na fotovoltaických tranzistorech MOSFET. Zvláště zajímavé jsou jejich miniaturní rozměry a neopotřebovávající se vlastnosti.

V tomto článku jsou stručně popsány požadavky zařízení ATE. Dále jsou zde představeny různé typy relé s fotovoltaickými tranzistory MOSFET z SSR řady PhotoMOS od společnosti Panasonic a zdůrazněny jejich rozdíly v geometrii součástek a ve spínacích charakteristikách. Téma uzavírají tipy k návrhu pro zrychlené spínání/vypínání a snižování unikajících proudů specifických pro řadu PhotoMOS.

Vysoká hustota pouzdra a krátké signálové cesty

Automatický tester IC naváže kontakt s testovaným zařízením („device under test“, DUT) pomocí hustě osazených jehlových adaptérů (sondových karet) a provede funkční testování. Moduly v testovací hlavě generují a distribuují vysokorychlostní testovací impulzy, dodávají vhodná napětí a přepínají měřicí kanály. Všechny testy musí probíhat v omezeném prostoru, aby se minimalizovaly ztráty ve vedení, doba šíření signálu, rušení a přeslechy kanálu.

K tomuto úkolu mohou konstruktéři použít spínací prvky malého formátu, jako jsou relé řady AQ společnosti Panasonic. Například SSR PhotoMOS napěťově řízeného typu CC AQY2C1R6PX se dodává v pouzdru TSON, které zabírá 3,51 mm² (1,95 × 1,80 mm) (obrázek 1). Využívá kapacitní vazbu k zajištění 200voltové izolační ochrany, je řízeno napětím a vyžaduje pouze 1,2 mW řídicího výkonu.

Obrázek 1: Na obrázku jsou rozměry pouzdra pro relé PhotoMOS s malým signálem řady AQ. Rozměry jsou uvedeny v milimetrech. (Zdroj obrázku: společnost Panasonic, upraveno autorem)

Relé PhotoMOS AQY221R6TW typu RF řízeného proudem má malé rozměry 3,8 mm², ale jeho pouzdro VSSOP je 3,6krát vyšší než u modelu AQY2C1R6PX. Vyžaduje pouze 75 mW řídicího výkonu a k zajištění 200voltové ochranné izolace využívá optickou vazbu. Unikající proud (I_Leak) typů CC a RF je při 10 nA velmi nízký.

Na obrázku 2 je ukázán princip obvodu relé typu CC s kapacitní vazbou (vlevo) a typu RF s optickou vazbou (vpravo).

Obrázek 2: SSR PhotoMOS AQY2C1R6PX typu CC (vlevo) používá kapacitní vazbu a je řízeno napětím. Model AQY221R6TW typu RF (vpravo) používá optickou vazbu a je řízen proudem. (Zdroj obrázku: společnost Panasonic, upraveno autorem)

Model AQV214EHAX typu GE využívá také optickou vazbu a mezi řídicím obvodem (IN) a zátěžovým obvodem (OUT) nabízí výrazně vyšší ochrannou izolaci až 5 kV. Dodává se ve větším pouzdru 6-SMD, které měří 8,8 mm × 6,4 mm s vývody tvaru L. SSR z řady GE vyžadují pouze 75 mW řídicího výkonu a při maximálně 400 voltech spínají zatěžovací proudy až 150 mA.

Optimalizace odporu kontaktů a výstupní kapacity

Jak je pro polovodiče typické, mají SSR odpor v sepnutém stavu (R_on) a výstupní kapacitu (C_out), které způsobují tepelné ztráty, resp. unikající proud. Různé typy relé se v závislosti na druhu spínaného signálu optimalizují pro jedno nebo druhé.

Typy SSR s obzvláště nízkým R_on způsobují menší útlum při spínání vysokofrekvenčních střídavých testovacích impulzů. SSR s nízkou C_out umožňují přesnější měření stejnosměrných signálů, zatímco typy s vysokou C_out jsou vhodné ke spínání vyšších výkonových stupňů. Na obrázku 3 je ukázán automatický polovodičový testovací systém a ilustrováno, které typy relé PhotoMOS jsou pro různé signálové cesty v měřicím modulu testovací hlavy nejvhodnější.

Obrázek 3: Jednotlivé signálové cesty tohoto automatického polovodičového testovacího systému vyžadují specifický typ relé PhotoMOS. (Zdroj obrázku: společnost Panasonic)

Relé PhotoMOS AQY2C1R3PZ a AQY221N2TY se vyznačují nízkou C_out s hodnotou 1,2, resp. 1,1 pF. To jim umožňuje spínat a vypínat rychlostí až 10 a 20 µs (model AQY2C1R3PZ) a 10 a 30 µs (model AQY221N2TY). Kompromisem obou relé je zvýšený R_on, 10,5, resp. 9,5 Ω, což vede k vyšším ztrátám a zahřívání součástek. Tato relé PhotoMOS jsou vhodná k rychlému přepínání měřicích signálů s nízkým průtokem proudu a u vysokofrekvenčních signálů generují menší odraz / fázový posun.

Výše zmiňované modely AQY2C1R6PX a AQY221R6TW jsou vhodnější pro pomaleji spínané napájecí signály a napájecí napětí s vyššími proudy. Zatímco nižší R_on způsobuje menší zahřívání součástek, jejich větší C_out má na signály integrující vliv.

Minimalizace zkreslení signálu

Příklady polovodičových relé, která představují pouze jednoduchý vypínač (1 forma A), jsou fototriaky pro střídavé signály nebo optočleny s bipolárními tranzistory pro pulzující stejnosměrné signály. Tato zařízení způsobují zkreslení signálu zátěže v důsledku prahové hodnoty, zápalných napětí a zpoždění při spínání. Kromě toho mohou proudy při zpětném zotavení generovat harmonické překmity (kmitání) a unikající proudy o velikosti několika desítek až stovek miliampérů.

Polomůstek tranzistoru FET s obvodem řadiče v relé PhotoMOS společnosti Panasonic tato zkreslení signálu minimalizuje, a proto je vhodný pro nízkoztrátové přepínání malých střídavých a stejnosměrných signálů, jako jsou vysokorychlostní testovací impulzy, měřicí signály a napájecí napětí. Ve vypnutém stavu jsou unikající proudy mezi dvěma připojeními OUT nižší než 1 µA.

Relé PhotoMOS jsou k dispozici ve formě A (jednopólový spínací („single pole, single throw“) normálně rozpojený („normally-open“) kontakt (SPST-NO)) nebo ve formě B (normálně sepnutý („normally closed“) kontakt, SPST-NC) a jako násobky. Kombinací zařízení formy A a formy B mohou konstruktéři vytvořit přepínače formy C, jako jsou jednopólové přepínací („single pole, double throw“, SPDT) přepínače, jednopólové střídací přepínače a dvoupólové přepínací („double pole, double throw“, DPDT) přepínače.

Například model AQS225R2S je čtyřnásobné relé PhotoMOS (4SPST-NO) v pouzdře SOP16, které zvládne maximálně 70 mA při spínacích napětích do 80 voltů. Také model AQW214SX je duální relé PhotoMOS (2SPST-NO) v pouzdře SOP8, které zvládne zatěžovací proudy až 80 mA při spínacích napětích až 400 voltů.

Na obrázku 4 je vnitřní struktura relé SSR, PhotoMOS a fotočlenu spolu s jejich typickými zkresleními signálu. Relé PhotoMOS nezpůsobují ořezávání signálu ani podobné zkreslení u ohmických zátěží.

Obrázek 4: Relé SSR a fotočleny způsobují zkreslení výstupního signálu v důsledku prahové hodnoty a zápalných napětí. Relé PhotoMOS přepínají střídavé a stejnosměrné signály bez zkreslení. (Zdroj obrázku: společnost Panasonic, upraveno autorem)

K utlumení zpětnovazebního efektu indukčních a kapacitních spínacích zátěží, a tím k ochraně fáze výstupu zařízení PhotoMOS, musí konstruktéři na výstupní stranu přidat upínací a nezávislé diody, RC a LC filtry nebo varistory. V řadě CC chrání upínací diody vstupní oscilátor před přepěťovými špičkami a omezují řídicí signál na 3 volty až 5,5 voltu, zatímco RC filtry zajišťují zbytkové zvlnění menší než ±0,5 voltu.

Snížení unikajících proudů

Kapacita C_out relé PhotoMOS slouží jako přemostění pro střídavé proudy a sekvence impulzů o vyšší frekvenci, když je relé bez napětí. K výraznému snížení těchto unikajících proudů a maximalizaci izolace při vysokých frekvencích doporučuje společnost Panasonic použít tří samostatná relé PhotoMOS ve formě obvodu T (obrázek 5, vlevo). V hlavní signálové cestě jsou dvě relé PhotoMOS 1 formy A, S1 a S2, typu s nízkým odporem R_on, zatímco typ s nízkou kapacitou C_out tvoří zkratový spínač 1 formy A, S3.

Obrázek 5: Když jsou relé S1 a S2 bez napětí, sepnuté relé S3 funguje jako zkrat pro všechny unikající proudy (vypnutý stav obvodu T, vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Panasonic, upraveno autorem)

Sepnutý stav obvodu T (obrázek 5, uprostřed): V případě sepnutých relé S1 a S2 jejich R_on minimálně tlumí úroveň signálu, zatímco nízká C_out z vypnutého relé S3 mírně tlumí vysoké frekvence (dolní propust).

Vypnutý stav obvodu T (obrázek 5, vpravo): Pokud jsou relé S1 a S2 bez napětí, jejich C_out představuje přemostění pro vysoké frekvence (horní propust), ale sepnuté relé S3 zkratuje signály kapacitně procházející přes S1 (sací obvod).

Časování sepnutí/vypnutí obvodu T musí být implementováno jako spínač s přerušením před sepnutím („break before make“, BBM). V souladu s tím by měla být relé S1 a S2 před sepnutím relé S3 deaktivována. Označení BBM u relé znamená, že se kontakty spínají samostatně, zatímco kontakt bez přerušení při sepnutí („make before break“, MBB) znamená, že se přepínají přemosťovacím způsobem.

Rychlejší spínání relé PhotoMOS

Vnitřní fotosenzor relé PhotoMOS funguje jako solární článek a dodává hradlu nabíjecí proud. Jasnější světelný impulz z diody LED tedy zvyšuje rychlost spínání. Například zaváděcí prvek R1/R2/C1 na obrázku 6 generuje vyšší proudový impulz.

Obrázek 6: Zaváděcí prvek R1/R2/C1 zvyšuje spínací rychlost relé PhotoMOS. (Zdroj obrázku: společnost Panasonic)

C1 působí v okamžiku sepnutí jako zkrat pro R2, takže nízký odpor R1 umožňuje, aby protékal vysoký proud. Pokud je C1 nabitý a má vysoký odpor, přidá se R2, čímž se sníží průtok do přídržného proudu, jako u magnetických relé. Relé PhotoMOS AQV204 tak zkracuje dobu sepnutí ze 180 µs na 30 µs.

Závěr

Použitím malých neopotřebovávajících se relé PhotoMOS mohou konstruktéři zlepšit hustotu signálu aplikací ATE a rychlost měření a zároveň snížit nároky na údržbu. Navíc dodržování doporučených konstrukčních technik může pomoci minimalizovat unikající proudy a spínací doby.