כיצד להשתמש בממסרי SSR עבור ציוד בדיקה אוטומטי אמין, הפסדים-נמוכים, מיתוג-מהיר, של מוליכים-למחצה

מעגלים-משולבים (ICs) הם מבוקשים יותר מאי פעם בגלל שהם מקטינים עלויות פיתוח חומרה, מקדמים מזעור של התקנים אלקטרוניים ומספקים מגוון רחב של פונקציות. כדי להבטיח את האיכות של‏ סדרות ייצור גדולות, יצרני מוליכים-למחצה דורשים ציוד בדיקה אוטומטי (ATE‏) אמין וקומפקטי היכול למתג במהירות זרמי AC תדר-גבוה ו-DC‏ עם רמות אות נמוכות וגבוהות והפסדים מינימליים.

ממסרי מצב-מוצק (SSRs) המבוססים על טרנזיסטורי MOSFET‏ פוטו-וולטאיים הם אידיאליים עבור מכשירי בדיקה של מעגלים-משולבים ויישומי ATE‏. התכונות שלהם גודל זעיר והעדר שחיקה מעניינות במיוחד.

מאמר זה דן בקצרה בדרישות ATE. אחר כך הוא מציג סוגים שונים של ממסרי MOSFET‏ פוטו-וולטאיים מסדרת ממסרי מצב-מוצק (SSRs) ‏PhotoMOS של Panasonic ומדגיש את ההבדלים ביניהם בגיאומטריה של רכיבים ובמאפייני מיתוג. עצות תכנון עבור מיתוג מואץ הפעלה/השבתה והפחתת זרמי זליגה ספציפיים ל-PhotoMOS מסכמים את הנושא.

צפיפות אריזה גבוהה ומסלול אות קצר

מכשיר בדיקה אוטומטי של ICs יוצר מגע עם ההתקן תחת בדיקה (DUT) תוך שימוש במתאמי מחט ארוזים בצפיפות (כרטיסי בחון (Probe)) כדי לבצע בדיקה פונקציונלית. המודולים בראש הבדיקה מחוללים ומפיצים פולסי בדיקה מהירות-גבוהה, מספקים מתחים מתאימים ומחליפים ערוצי מדידה. כל בדיקה חייבת להתבצע בחלל מוגבל כדי למזער הפסדי קו, זמני התפשטות אותות, הפרעות וערב-דיבור (Crosstalk‏) בין ערוצים.

עבור משימה זו, מתכננים יכולים להשתמש באלמנטים של מיתוג בעלי מבנה קטן כגון ממסרי סדרת AQ של Panasonic. לדוגמה, ה-AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR מסוג CC מגיע במארז TSON התופס 3.51 ממ"ר (mm²)‏ (1.95 × 1.80 מ"מ) (איור 1‏). הוא משתמש בצימוד קיבולי כדי לספק הגנת בידוד של ‏200‏ וולט והוא‏ מבוקר מתח, דורש הספק בקרה של 1.2 מילי-ואט (mW) בלבד.

איור 1: מתוארות מידות מארז עבור ממסרי PhotoMOS אות-קטן מסדרת AQ; המידות הן במילימטרים.‏ (מקור תמונה: Panasonic, מותאמת על ידי המחבר)

ממסר ה-PhotoMOS ‏AQY221R6TW מבוקר-הזרם מסוג RF הוא בעל חתימת-שטח קטנה של 3.8 ממ"ר, אך מארז ה-VSSOP שלו גבוה פי 3.6 מה-AQY2C1R6PX. הוא דורש הספק בקרה של ‏‎75 mW‏ בלבד‏ ומשתמש בצימוד אופטי כדי לספק בידוד הגנה של ‏200‏ וולט. זרם הזליגה (I_Leak) ‏של סוגי ה-CC וה-RF הוא נמוך מאוד, ‏10 ננו-אמפר (nA‏).

איור 2‏ מראה את עיקרון המעגל ‏של ממסרים מסוג CC עם צימוד קיבולי (שמאל) ומסוג RF עם צימוד אופטי (ימין).

איור 2‏: ה-AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR מסוג CC (שמאל) משתמש בצימוד קיבולי ומונע על ידי מתח; ה-AQY221R6TW מסוג RF (ימין) משתמש בצימוד אופטי ומונע‏ על ידי זרם. (מקור תמונה: Panasonic, מותאמת על ידי המחבר)

ה-AQV214EHAX מסוג GE‏ משתמש גם כן בצימוד אופטי ומציע בידוד הגנה גבוה משמעותית של עד ‏5‏ קילו-וולט (kV‏‏) בין מעגל הבקרה (IN) ומעגל העומס (OUT). הוא מגיע‏ במארז ‎6-SMD גדול יותר ‎שמידותיו 8.8 מ"מ x‏ 6.4 מ"מ עם הדקי מוליך בצורת כנף-שחף (gull-wing). ממסרי SSR מסדרת ה-GE, שדורשים הספק בקרה של ‎75 mW בלבד,‏ ‏ממתגים זרמי עומס של עד ‎150 mA‏‏ במתח מקסימלי של‏ 400 וולט.

מיטוב התנגדות מגעים וקיבוליות יציאה

כפי שאופייני למוליכים-למחצה, ממסרי SSR הם בעלי התנגדות‏ “מצב-מופעל” (R_on) וקיבוליות יציאה (C_out) הגורמות להפסדי חימום וזרם זליגה, בהתאמה. סוגי ממסר שונים ממטבים עבור האחת או האחרת, תלוי בסוג האות שיש למתג.

סוגי SSR עם התנגדות‏ R_on נמוכה במיוחד גורמים לפחות הנחתה כשממתגים פולסי בדיקה AC תדר-גבוה. ממסרי SSR עם קיבוליות‏ C_out נמוכה מאפשרים מדידות מדויקות יותר של‏ אותות DC, בעוד סוגים עם‏ C_out גבוהה מתאימים למיתוג רמות הספק גבוהות יותר. איור 3‏ מראה‏ מערכת בדיקה אוטומטית של מוליכים-למחצה ומדגים אילו סוגי ממסר PhotoMOS מתאימים ביותר למסלולי אותות שונים במודול המדידה של ראש הבדיקה.

איור 3‏: כל מסלול אותות של‏ מערכת הבדיקה האוטומטית הזו של מוליכים-למחצה דורש סוג ממסר PhotoMOS ספציפי. (מקור תמונה: Panasonic)

ממסרי ה-PhotoMOS ‏AQY2C1R3PZ ו-AQY221N2TY כוללים‏ קיבוליות C_out נמוכה של‏ 1.2 ו-1.1‏ פיקו-פאראד (pF), בהתאמה. זה מאפשר להם להתמתג למצב-מופעל ומושבת בעד ‏10 ו-‏20‏ מיקרו-שניות (µs‏) (AQY2C1R3PZ), ו-‏10 ו-‎30 µs‏ (AQY221N2TY). הפשרה עבור שני הממסרים היא R_on מוגדלת, ‏10.5 ו-‎9.5 Ω‏, בהתאמה, שתוצאתה היא הפסדים גבוהים יותר וחימום רכיב רב יותר. ממסרי PhotoMOS אלה טובים עבור מיתוג מהיר של אותות מדידה עם זרימת זרם נמוך, והם מניבים פחות החזרה/היסט פאזה עם אותות תדר גבוה.

ה-AQY2C1R6PX וה-AQY221R6TW שנדונו למעלה מתאימים יותר עבור אותות הספק מתמתגים לאט יותר ומתחי אספקה עם זרמים גבוהים יותר. בעוד ה-R_on הנמוכה יותר שלהם גורמת לפחות חימום רכיב, ל-C_out הגדול יותר יש אפקט אינטגרטור על האותות.

הקטנת עיוות אות

ממסרי מוליכים-למחצה המייצגים מתג הפעלה/השבתה בלבד (1‎ Form A‏) הם דוגמאות של‏ רכיבי פוטו-טריאק עבור אותות AC או מבודדים אופטיים עם טרנזיסטורים ביפולריים עבור אותות DC פועמים‏. התקנים אלה גורמים לעיוותים באות העומס בגלל סף, מתחי הצתה ושיהויי מיתוג. נוסף לכך, זרמי התאוששות-אחורנית יכולים להפיק Overshoots‏ הרמוניים (Ringing‏) וזרמי זליגה של‏ מספר עשרות או מאות מיליאמפר (mA‏‏).

חצי-גשר ה-FET‏ עם מעגל דחיפה בממסרי PhotoMOS של Panasonic מקטין למינימום עיוותי אות אלה, ומכאן ההתאמה שלהם עבור מיתוג עם הפסדים-נמוכים של אותות קטנים‏ AC‏ ו-DC‏ כגון פולסי בדיקה מהירות-גבוהה, אותות מדידה ומתחי אספקה. במצב כבוי, זרמי הזליגה בין שני חיבורי ה-OUT הם מתחת ל-1 מיקרואמפר (µA‏).

ממסרי PhotoMOS זמינים ב-Form A‏ (קוטב יחיד, השלכה יחידה, פתוח-במצב-רגיל (SPST-NO) או Form B‏ (סגור-במצב-רגיל, SPST-NC) וככפולות. מתכננים יכולים לבנות מתגי Form C כגון קוטב יחיד, השלכה כפולה (SPDT‏); מתגי החלפה (changeover switches) קוטב-יחיד; ומתגי קוטב כפול, השלכה כפולה (DPDT) על ידי שילוב התקני Form A‏ ו-Form B‏.

לדוגמה, ה-AQS225R2S‏ הוא ממסר PhotoMOS מרובע (4SPST-NO) במארז SOP16 היכול לטפל ‏ במקסימום של ‏‎70 mA במתחי מיתוג של עד 80‏ וולט. כמו כן, ה-AQW214SX‏ הוא ממסר PhotoMOS כפול (2SPST-NO) במארז SOP8 היכול לטפל ‏ בזרמי עומס עד ‏‎80 mA במתחי מיתוג של עד 400‏ וולט.

איור 4‏ מראה את המבנה הפנימי של SSR,‏ PhotoMOS‏ ומבודד אופטי, ביחד עם עיוותי האות האופייניים שלהם. ממסרי PhotoMOS אינם גורמים לקטיעת אות או עיוותים דומים על עומסים אוהמיים.

איור 4: ממסרי SSR ומבודדים אופטיים גורמים לעיוותים באות היציאה בגלל סף ומתחי הצתה; ממסרי PhotoMOS ממתגים אותות AC ו-DC ללא עיוות. (מקור תמונה: Panasonic, מותאמת על ידי המחבר)

כדי להנחית את השפעת המשוב של‏ עומסי מיתוג אינדוקטיביים וקיבוליים, ובכך להגן על דרגת היציאה PhotoMOS, מתכננים חייבים להוסיף דיודות הידוק ו-Freewheeling, מסנני RC‏ ו-LC, או ואריסטורים בצד היציאה. בסדרת ה-CC, דיודות הידוק מגנות על מתנד הכניסה משיאי מתח-יתר ומגבילות את אות הבקרה ל-3 וולט עד 5.5 וולט, בעוד מסנני RC מבטיחים אדווה‏ שיורית של‏ פחות מ-0.5‏± וולט.

הקטנת זרמי זליגה

קבל ה-C_out של‏ ממסרי PhotoMOS משרת כמעקף עבור זרמי חילופין וסדרות פולסים ‏בתדר גבוה יותר כשהממסר‏ אינו מופעל. כדי להפחית משמעותית זרמי זליגה כאלה ולמקסם בידוד בתדרים גבוהים, Panasonic ממליצה להשתמש בשלושה ממסרי PhotoMOS נפרדים בצורת מעגל T‏ (איור 5‏, שמאל). במסלול האות העיקרי, שני ממסרי 1‎ Form A PhotoMOS, ‏S1 ו-S2‏, הם מסוג התנגדות R_on נמוכה, בעוד ממסר אחד מסוג‏ קיבוליות C_out נמוכה יוצר את מתג קיצור המעגל 1‎ Form A‏, ‏S3.

איור 5: כש-S1 ו-S2 לא מופעלים, ממסר ה-S3 המופעל פועל כקצר מעגל עבור כל זרמי הזליגה (מצב מושבת של מעגל T, ימין). (מקור תמונה: Panasonic, מותאמת על ידי המחבר)

מצב מופעל של מעגל T (איור 5, מרכז): במקרה ש-S1 ו-S2 מופעלים, התנגדות ה-R_on שלהם מנחיתה במידה מינימלית את רמת האות, בעוד קיבוליות ה-C_out הנמוכה של ממסר ה-S3 הלא מופעל מנחית קלות תדרים גבוהים (מעביר נמוכים).

מצב מושבת של מעגל T (איור 5‏, ימין): אם S1‏ ו-S2‏ לא מעוררים, ה-C_out שלהם מייצג מעקף עבור תדרים גבוהים (מעביר גבוהים), אך ממסר ה-S3 המופעל מקצר את האותות העוברים קיבולית דרך S1 (מעגל יניקה).

תזמון ההפעלה/השבתה של מעגל ה-T חייב להיות מיושם כמתג ניתוק-לפני-חיבור‏ (BBM). בהתאם לכך, ממסרי S1 ו-S2 חייבים להיות מושבתים לפני ש-S3 מופעל. בממסרים, משמעות BBM היא שהמגעים מתמתגים בנפרד, בעוד חיבור-לפני-ניתוק (MBB) משמעותו שהם מתמתגים בצורה מגשרת.

מיתוג מהיר יותר של ממסרי PhotoMOS

חיישן הפוטו הפנימי של‏ ממסר ה-PhotoMOS עובד כתא סולארי ומספק את זרם טעינת השער (gate). ככזה, פולס אור בהיר יותר מה-LED ‏מגדיל את מהירות המיתוג. לדוגמה, אלמנט ה-Bootstrap ‏R1/R2/C1 באיור 6 מחולל פולס זרם גבוה יותר.

איור 6: אלמנט ה-Bootstrap ‏R1/R2/C1‏ מגדיל את מהירות ההפעלה של ממסר ה-PhotoMOS. (מקור תמונה: Panasonic)

ברגע ההפעלה, ‏C1‏ פועל כקצר‏ מעגל עבור R2‏, כך שההתנגדות הקטנה של R1‏ מאפשרת‏ לזרם גבוה לזרום. אם C1‏ טעון ובעל התנגדות גבוהה, מוסף R2‏ והזרימה לזרם האחיזה פוחתת, כמו במקרה של ממסרים מגנטיים. ובכך ממסר ה-AQV204 PhotoMOS מקצר את רגע ההפעלה שלו מ-‎180 µs ל-‎30 µs.

סיכום

על ידי שימוש בממסרי PhotoMOS קטנים, בלתי נשחקים, מתכננים יכולים לשפר צפיפות אות ומהירות מדידה של יישומי ATE תוך הקטנת צורכי תחזוקה. נוסף לכך, שמירה על טכניקות תכנון מומלצות יכולה לעזור בצמצום זרמי זליגה וזמני מיתוג.