【導(dǎo)讀】集成電路 (IC) 降低了硬件開(kāi)發(fā)成本，促進(jìn)了電子設(shè)備的小型化并具有廣泛的功能，因此比以往任何時(shí)候都更加搶手。為確保大批量生產(chǎn)的質(zhì)量，半導(dǎo)體制造商需要可靠、緊湊的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) ，能夠在保持信號(hào)低電平、信號(hào)高電平且損耗最小的情況下快速開(kāi)關(guān)高頻 AC 和 DC 電流。
集成電路 (IC) 降低了硬件開(kāi)發(fā)成本，促進(jìn)了電子設(shè)備的小型化并具有廣泛的功能，因此比以往任何時(shí)候都更加搶手。為確保大批量生產(chǎn)的質(zhì)量，半導(dǎo)體制造商需要可靠、緊湊的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) ，能夠在保持信號(hào)低電平、信號(hào)高電平且損耗最小的情況下快速開(kāi)關(guān)高頻 AC 和 DC 電流。
基于光電 MOSFET 的固態(tài)繼電器 (SSR) 是 IC 測(cè)試儀和 ATE 應(yīng)用的理想之選。這些器件的微型尺寸和無(wú)磨損特性尤其引人關(guān)注。
本文簡(jiǎn)要討論 ATE 的要求。然后介紹 Panasonic 的 PhotoMOS 系列固態(tài)繼電器中不同類(lèi)型的光伏 MOSFET 繼電器，并著重說(shuō)明這種繼電器在元件幾何形狀和開(kāi)關(guān)特性方面的差異。本專(zhuān)題最后還將介紹加快開(kāi)關(guān)速度和降低 PhotoMOS 特定型漏電流的設(shè)計(jì)技巧。
封裝密度高，信號(hào)路徑短
自動(dòng) IC 測(cè)試儀使用密集的針狀適配器（探頭卡）與被測(cè)設(shè)備 (DUT) 接觸，以進(jìn)行功能測(cè)試。測(cè)試頭中的模塊可產(chǎn)生并分配高速測(cè)試脈沖，提供適當(dāng)?shù)碾妷翰㈤_(kāi)關(guān)測(cè)量通道。每次測(cè)試時(shí)都必須在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，以盡量減少線路損耗，縮短信號(hào)傳播時(shí)間并減少干擾和信道串?dāng)_。
為此，設(shè)計(jì)人員可以使用小型開(kāi)關(guān)元件，如 Panasonic 的 AQ 系列繼電器。例如，壓控 CC 型 AQY2C1R6PX PhotoMOS 固態(tài)繼電器采用 TSON 封裝， 大小為 3.51 mm2 (1.95 × 1.80 mm)（圖 1）。該器件利用電容耦合提供 200 V 隔離保護(hù)，并采用電壓控制且控制功率只需 1.2 mW。
圖 1：所示為 AQ 系列小信號(hào) PhotoMOS 繼電器的外殼尺寸（以 mm 為單位）。（圖片來(lái)源：Panasonic，經(jīng)作者修改）
電流控制 RF 型 AQY221R6TW PhotoMOS 繼電器封裝小，僅為 3.8 mm2，但其 VSSOP 外殼比 AQY2C1R6PX 高 3.6 倍。該器件的控制功率只需 75 mW，并利用光耦合提供 200 V 保護(hù)隔離。CC 和 RF 型的漏電流 (ILeak) 非常低，僅為 10 納安 (nA) 。
圖 2 顯示了帶電容耦合的 CC 型繼電器（左） 和帶光學(xué)耦合的 RF 型繼電器（右）的電路原理。
圖 2：AQY2C1R6PX CC 型 PhotoMOS 固態(tài)繼電器（左）采用電容耦合，由電壓驅(qū)動(dòng)；AQY221R6TW RF 型（右）采用光耦合，由電流驅(qū)動(dòng)。（圖片來(lái)源：Panasonic，經(jīng)作者修改）
GE AQV214EHAX 型還采用了光耦合技術(shù)，在控制電路 (IN) 和負(fù)載電路 (OUT) 之間提供高達(dá) 5 kV 的較高保護(hù)絕緣。該器件采用體積較大的 6-SMD 封裝，尺寸為 8.8 mm x 6.4 mm，有鷗翼引線。GE 系列的 SSR 只需 75 mW 控制功率，即可在最高 400 V 電壓下開(kāi)關(guān)高達(dá) 150 mA 的負(fù)載電流。
優(yōu)化接觸電阻和輸出電容
與典型的半導(dǎo)體器件一樣，固態(tài)繼電器也具有“導(dǎo)通”電阻 (Ron) 和輸出電容 (Cout) ，這兩個(gè)參數(shù)分別會(huì)導(dǎo)致熱損耗和漏電流。根據(jù)需要開(kāi)關(guān)的信號(hào)類(lèi)型，不同類(lèi)型的繼電器會(huì)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)中的某一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化。
Ron 特別低的固態(tài)繼電器，在開(kāi)關(guān)高頻 AC 測(cè)試脈沖時(shí)衰減較小。具有低 Cout 的固態(tài)繼電器，可對(duì) DC 信號(hào)進(jìn)行更精確的測(cè)量，而 Cout 高的固態(tài)繼電器則適用于開(kāi)關(guān)更高的功率。圖 3 所示為一個(gè)自動(dòng)半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)，并說(shuō)明了哪些 PhotoMOS 繼電器類(lèi)型最適合測(cè)試頭測(cè)量模塊中的各種信號(hào)路徑。
圖 3：這套自動(dòng)半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)的每個(gè)信號(hào)路徑都需要特定類(lèi)型的 PhotoMOS 繼電器。（圖片來(lái)源：Panasonic）
AQY2C1R3PZ 和 AQY221N2TY PhotoMOS 繼電器分別具有 1.2 pF 和 1.1 pF 的低 Cout。這樣，這些器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá) 10 μs 和 20 μs (AQY2C1R3PZ) ，以及 10 μs 和 30 μs (AQY221N2TY) 。這兩款繼電器的折衷結(jié)果是增大了 Ron，分別達(dá)到 10.5 Ω 和 9.5 Ω，并導(dǎo)致?lián)p耗和元件發(fā)熱增加。這些 PhotoMOS 繼電器適用于以較低的電流快速開(kāi)關(guān)測(cè)量信號(hào)，而且在高頻信號(hào)下產(chǎn)生的反射/相移較小。
前文討論過(guò)的 AQY2C1R6PX 和 AQY221R6TW 更適合開(kāi)關(guān)速度較慢的電源信號(hào)和電流較大的電源電壓。雖然這些器件的 Ron 較低，導(dǎo)致元件發(fā)熱較少，但其 Cout 較大，會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生積分器效應(yīng)。
將信號(hào)失真降至最低
例如，用于 AC 信號(hào)的光電三端雙向可控硅，或者用于脈動(dòng) AC 信號(hào)的帶雙極晶體管的光耦合器，只代表簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān) (1 form A) 的半導(dǎo)體繼電器這些器件會(huì)因閾值、觸發(fā)電壓和開(kāi)關(guān)延遲而導(dǎo)致負(fù)載信號(hào)失真。此外，反向恢復(fù)電流會(huì)產(chǎn)生諧波過(guò)沖（瞬時(shí)振蕩）和 10 mmA 至 100 mA 漏電流。
在 Panasonic 的 PhotoMOS 繼電器中，帶有驅(qū)動(dòng)電路的 FET 半橋最大程度地減少了這些信號(hào)失真，因此適用于諸如高速測(cè)試脈沖、測(cè)量信號(hào)和電源電壓等 AC 和 DC 小信號(hào)的低損耗開(kāi)關(guān)。關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)輸出連接之間的漏電流低于 1 微安 (μA)。
PhotoMOS 繼電器分為 form A 型（單極單擲、常開(kāi)觸點(diǎn) (SPST-NO)）或 form B 型（常閉觸點(diǎn)、SPST-NC）以及多路產(chǎn)品。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)組合 form A 和 form B 型器件來(lái)制造 form C 型開(kāi)關(guān)，如單刀雙擲 (SPDT) 、單刀轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和雙刀雙擲 (DPDT) 開(kāi)關(guān)。
例如，AQS225R2S 是一款采用 SOP16 封裝的 4 路 PhotoMOS 繼電器 (4SPST-NO)，在開(kāi)關(guān)電壓高達(dá) 80 V 的情況下可處理高達(dá) 70 mA 的電流。此外，AQW214SX 是一款采用 SOP8 封裝的雙路 PhotoMOS 繼電器 (2SPST-NO) ，在開(kāi)關(guān)電壓高達(dá) 400 V 時(shí)可處理高達(dá) 80 mA 的負(fù)載電流。
圖 4 所示為 SSR、PhotoMOS 和光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其典型的信號(hào)失真。PhotoMOS 繼電器在阻性負(fù)載下不會(huì)造成信號(hào)削波或類(lèi)似失真。
圖 4：由于閾值電壓和觸發(fā)電壓，SSR 和光耦合器會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)失真；而 PhotoMOS 繼電器在開(kāi)關(guān) AC 和 DC 信號(hào)時(shí)不會(huì)失真。（圖片來(lái)源：Panasonic，經(jīng)作者修改）
為了減弱感性和容性開(kāi)關(guān)負(fù)載的反饋效應(yīng)，從而保護(hù) PhotoMOS 輸出級(jí)，設(shè)計(jì)人員必須在輸出側(cè)添加鉗位和續(xù)流二極管、RC 和 LC 濾波器或壓敏電阻。在 CC 系列中，鉗位二極管可保護(hù)輸入振蕩器免受過(guò)壓峰值的影響，并將控制信號(hào)限制在 3 V 至 5.5 V 之間，而 RC 濾波器可確保殘余紋波小于 ±0.5 伏。
減小漏電流
斷電時(shí)，PhotoMOS 繼電器的 Cout 可作為交流電流和高頻脈沖序列的旁路。為了大幅降低此類(lèi)漏電流并最大限度地提高高頻隔離能力，Panasonic 建議使用三個(gè)獨(dú)立的 PhotoMOS 繼電器，形成 T 電路（圖 5，左）。在主信號(hào)路徑中，1 Form A PhotoMOS 繼電器 S1 和 S2 均為低 Ron 器件，而 1 Form A 短路開(kāi)關(guān) S3 則為低 Cout 器件。
圖 5：當(dāng) S1 和 S2 斷開(kāi)時(shí)，接通的繼電器 S3 對(duì)所有泄漏電流起短路作用（T 電路處于斷開(kāi)狀態(tài)，右圖) 。（圖片來(lái)源：Panasonic，經(jīng)作者修改）
T 電路接通狀態(tài)（圖 5，中間）：在 S1 和 S2 接通的情況下，其 Ron 最大程度地衰減信號(hào)電平，而關(guān)斷的 S3 繼電器的低 Cout 則對(duì)高頻（低通）的衰減很小。
T 電路關(guān)斷狀態(tài)（圖 5 右）：如果 S1 和 S2 處于斷電狀態(tài)，其 Cout 即為高頻旁路（高通），但接通的 S3 繼電器會(huì)使通過(guò) S1 的容性信號(hào)短路（吸入回路）。
T 電路的接通/斷開(kāi)定時(shí)必須以先斷后通 (BBM) 開(kāi)關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)。因此，在接通 S3 之前，應(yīng)先斷開(kāi) S1 和 S2。對(duì)于繼電器，BBM 表示觸點(diǎn)分別開(kāi)關(guān)，而先通后斷 (MBB) 表示觸點(diǎn)以橋接方式開(kāi)關(guān)。
加快 PhotoMOS 繼電器的開(kāi)關(guān)速度
PhotoMOS 繼電器的內(nèi)部光電傳感器可用作太陽(yáng)能電池，提供柵極充電電流。因此，LED 發(fā)出的光脈沖越亮，開(kāi)關(guān)速度就越快。例如，圖 6 中的自舉元件 R1/R2/C1 會(huì)產(chǎn)生較大的電流脈沖。
圖 6：自舉元件 R1/R2/C1 提高了 PhotoMOS 繼電器的接通速度。（圖片來(lái)源：Panasonic）
在接通瞬間，C1 對(duì) R2 起短路作用，因此 R1 的低電阻允許大電流流過(guò)。如果 C1 帶有電荷且電阻較高，則需要添加 R2，以減少磁繼電器的保持電流。因此，AQV204 PhotoMOS 繼電器的接通時(shí)間從 180 μs 縮短到 30 μs。
結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)使用小型無(wú)磨損的 PhotoMOS 繼電器，設(shè)計(jì)人員可以提高 ATE 應(yīng)用的信號(hào)密度和測(cè)量速度，同時(shí)減少維護(hù)需求。此外，遵循推薦的設(shè)計(jì)技術(shù)有助于最大限度地減少漏電流和開(kāi)關(guān)時(shí)間。
（作者：Jens Wallmann）
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