Pro zajištění kvality velkých výrobních šarží vyžadují výrobci polovodičů spolehlivé a kompaktní automatizované testovací zařízení (ATE), které jsou schopny rychle přepínat střídavé i stejnosměrné proudy s nízkou i vysokou úrovní signálu a to vše s minimálními ztrátami. Základem Solid State Relay (SSR) je MOSFET tranzistor a jejich hlavní výhodou jsou miniaturní rozměry. Jelikož neobsahují mechanické části, tak jejich poškození závisí jen na dodržení velikosti napětí a proudu. V článku se dozvíme jaké požadavky výrobci polovodičů kladou na automatické testery ATE. Představíme si SSR relé ze série PhotoMOS od Panasonicu. Nakonec uvedeme tipy pro zrychlení spínání a snížení svodových proudů, které jsou specifické pro PhotoMOS SSR relé.

Vysoká hustota a krátké signálové cesty

Automatizovaný tester IC se připojuje k testovaným zařízením (DUT – Device Under Test) pomocí hustě rozložených jehlových adaptérů, aby následně bylo provedeno funkční testování. Moduly v testovací hlavě generují vysokorychlostní impulsy, dodávají vhodná napětí a přepínají měřicí kanály. Každý test musí probíhat v omezeném prostoru a čase, aby se minimalizovaly ztráty ve vedení, doba šíření signálu, interference a přeslechy kanálu. Pro tento úkol je vhodné použít miniaturní spínací prvky jako jsou relé řady AQ. Například napěťově řízený CC typ SSR AQY2C1R6PX, který je dodáván v pouzdře TSON o velikosti 1,95 x 1,80 mm, čili zabere plochu 3,51 mm² (obrázek 1). Relé využívá kapacitní vazbu k zajištění 200 V izolační ochrany a vyžaduje pouze 1,2 mW řídicího výkonu.

Obrázek 1: Rozměry pouzdra pro PhotoMOS relé řady AQ. (Zdroj obrázku: Panasonic, upraveno autorem)

Proudově řízené vysokofrekvenční relé typu RF AQY221R6TW zabere plochu 3,8 mm², ale jeho pouzdro VSSOP je 3,6krát větší než u AQY2C1R6PX (je vyšší). Vyžaduje 75 mW řídicího výkonu a využívá optickou vazbu k zajištění 200 V ochranné izolace. Svodový proud I_Leak typů CC a RF je velmi nízký a to okolo 10 nA. Na obrázku 2 je princip obvodu relé typu CC s kapacitní vazbou (vlevo) a typu RF s optickou vazbou (vpravo).

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

GE typ AQV214EHAX využívá také optickou vazbu ale nabízí výrazně vyšší ochrannou izolaci a to až 5 kV mezi řídicím obvodem (IN) a výstupem (OUT). Dodává se ve větším 6-SMD pouzdře o velikosti 8,8 x 6,4 mm. SSR z řady GE vyžadují 75 mW řídicího výkonu a jsou schopny spínat proudy až 150 mA při maximálním napětím 400 V.

Optimalizace přechodového odporu a výstupní kapacity

SSR relé mají odpor v sepnutém stavu R_on a výstupní kapacitu C_out, které způsobují tepelné ztráty a svodový proud. Různé typy relé se optimalizují v závislosti na druhu spínaného signálu. Typy SSR s obzvláště nízkým odporem R_on způsobují menší útlum při spínání vysokofrekvenčních impulzů střídavého proudu. SSR typ s nízkou výstupní kapacitou C_out umožňuje přesnější měření stejnosměrných signálů. Typy s vysokou výstupní kapacitou C_out jsou vhodné pro spínání vyšších úrovní výkonu. Na obrázku 3 je automatizovaný testovací systém, kde jsou znázorněny, které typy relé PhotoMOS jsou nejvhodnější pro určité signálové cesty v měřicím modulu testovací hlavy.

Obrázek 3: Každá signálová cesta automatizovaného systému pro testování polovodičů vyžaduje specifický typ relé PhotoMOS. (Zdroj obrázku: Panasonic)

Relé AQY2C1R3PZ a AQY221N2TY se vyznačují nízkou výstupní kapacitou C_out o velikosti 1,2 a 1,1 pF. Díky této kapacitě lze spínat a rozpínat rychlostí 10 a 20 µs u AQY2C1R3PZ a 10 a 30 µs u AQY221N2TY. Nízká kapacita byla dosažena mírným zvýšením odporu R_on na 10,5 a 9,5 Ω. Bohužel to má za následek vyšší ztráty, a tím i zahřívání relé. Tato relé PhotoMOS jsou vhodná pro rychlé přepínání měřicích signálů s nízkými proudy a u vysokofrekvenčních signálů generují menší odraz/fázový posun. Dříve zmíněné typy AQY2C1R6PX a AQY221R6TW jsou vhodnější pro pomaleji spínané napájecí signály a napájecí napětí s vyššími proudy. Zatímco jejich nižší odpor R_on způsobuje menší zahřívání, jejich větší výstupní kapacita C_out má integrační účinek na signály.

Snížení zkreslení signálu

Polovodičová relé, která představují pouze jednoduchý vypínač si můžeme přestavit jako fototriaky pro střídavé signály a optočleny s bipolárními tranzistory pro pulzující stejnosměrné signály. Tyto součástky způsobují zkreslení signálu a zpětné zotavovací proudy mohou generovat harmonické překmity (ringing) a svodové proudy o velikosti několika 10 až 100 mA. Poloviční můstek FET s obvodem budiče v podobě relé PhotoMOS minimalizuje tato zkreslení signálu, a proto je vhodný pro nízkoztrátové přepínání malých signálů AC a DC jako jsou vysokorychlostní testovací impulsy, měřicí signály a napájecí napětí. Po vypnutí jsou svodové proudy mezi dvěma výstupy OUT nižší než 1 µA.

Relé PhotoMOS jsou k dispozici ve formě A (single pole, single throw, normally open contact - SPST-NO) nebo formě B (normally closed contact - SPST-NC). Návrháři mohou vytvořit spínače formy C, jako jsou single pole, double throw (SPDT); single-pole changeover switches; and double pole, double throw (DPDT) a to kombinací relé formy A a formy B. Například AQS225R2S je čtyřnásobné relé PhotoMOS (4SPST-NO) v pouzdře SOP16, které zvládne maximálně 70 mA při spínacích napětích do 80 V. AQW214SX je také duální relé PhotoMOS (2SPST-NO) v pouzdře SOP8, které zvládne zatěžovací proudy až 80 mA při spínacích napětích až 400 V. Na obrázku 4 je vnitřní strukturu SSR, PhotoMOS a photocoupleru spolu s jejich typickým zkreslením signálu. PhotoMOS relé nezpůsobují ořezávání signálu a podobné zkreslení na ohmické zátěži.

Obrázek 4: SSR a photocouplery způsobují zkreslení výstupního signálu v důsledku prahového a zapalovacího napětí. PhotoMOS relé přepínají AC a DC signály bez zkreslení. (Zdroj obrázku: Panasonic, upraveno autorem)

Aby konstruktéři ztlumili zpětnovazební efekt indukčních a kapacitních zátěží a chránili tak koncový stupeň PhotoMOS, musí přidat tzv. clamp diody, RC a LC filtry nebo varistory na výstupní straně. V řadě CC clamp diody chrání vstupní oscilátor před přepěťovými špičkami a omezují řídicí signál na 3 V až 5,5 V, zatímco RC filtry zajišťují zbytkové zvlnění menší než ±0,5 V.

Snížení svodových proudů

Výstupní kapacita C_out relé PhotoMOS slouží jako přemostění pro střídavé proudy a sekvence impulsů o vyšší frekvenci, když je relé bez napětí. Pro výrazné snížení těchto svodových proudů a zvýšení izolace při vysokých frekvencích se doporučuje použití tří samostatných relé PhotoMOS v zapojení jako T-obvodu (obrázek 5, vlevo). V hlavní signálové cestě jsou dvě relé 1 Form A PhotoMOS, S1 a S2, typu s nízkým R_, zatímco typ s nízkou výstupní kapacitou C_out tvoří zkratový spínač formy A, S3.

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

Stav SEPNUTÝ T-obvod (obrázek 5, střed): V případě sepnutých S1 a S2 jejich odpor R_ON jen minimálně zeslabuje úroveň signálu, a jejich nízká výstupní kapacita C_out při vypnutém relé S3 zeslabuje vysoké frekvence (chová se jako dolní propust).

Stav Rozepnutý T-obvod (obrázek 5 vpravo): Pokud jsou S1 a S2 bez napětí, jejich výstupní kapacita C_OUT představuje bypass pro vysoké frekvence (horní propust), ale sepnuté relé S3 zkratuje signály kapacitně procházející přes S1 (tzv. odsává signál). Časování ON/OFF T-obvodu musí být implementováno jako spínač BBM - Break Before Make. To znamená, že by měly být S1 a S2 deaktivovány před zapnutím S3.

Rychlejší přepínání relé PhotoMOS

Vnitřní fotosenzor relé PhotoMOS funguje jako solární článek a dodává nabíjecí proud pro gate. Jasnější světelný impuls z LED diody jako takový zvyšuje rychlost spínání. K tomu slouží Bootstrap prvek R1/R2/C1, který generuje vyšší proudový impuls.

Obrázek 6: Bootstrap prvek R1/R2/C1 zvyšuje rychlost sepnutí relé PhotoMOS. (Zdroj obrázku: Panasonic)

Kondenzátor C1 působí jako zkrat pro rezistor R2 v okamžiku zapnutí, takže nízký odpor rezistoru R1 umožňuje protékat velký proud. Pokud je kondenzátor C1 nabitý a má vysoký odpor, přidá se rezistor R2, čímž se sníží průtok do přídržného proudu tak, jak to známe u magnetických relé. Relé AQV204 PhotoMOS tak zkracuje dobu sepnutí ze 180 µs na 30 µs.

Závěr

Použitím malých, neopotřebitelných Solid State relé PhotoMOS se zvýší hustota signálu automatických testerů ATE a zvýší se rychlost měření a zároveň se sníží nároky na údržbu na minimum. Dodržování doporučených konstrukčních technik pomáhá minimalizovat svodové proudy a spínací časy.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com