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 ILeak 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 Ron a výstupní kapacitu Cout, které způsobují tepelné ztráty a svodový proud. Různé typy relé se optimalizují v závislosti na druhu spínaného signálu. Typy SSR s obzvláště nízkým odporem Ron způsobují menší útlum při spínání vysokofrekvenčních impulzů střídavého proudu. SSR typ s nízkou výstupní kapacitou Cout umožňuje přesnější měření stejnosměrných signálů. Typy s vysokou výstupní kapacitou Cout 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 Cout 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 Ron 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 Ron způsobuje menší zahřívání, jejich větší výstupní kapacita Cout 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 Cout 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 Cout 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 RON jen minimálně zeslabuje úroveň signálu, a jejich nízká výstupní kapacita Cout 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 COUT 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
