设计系统中的器件电源IC时的两个重要考虑因素

本文提供关于在自动测试设备(ATE)系统中选择器件电源(DPS)IC的指南。这些考虑因素将帮助客户根据其特定的ATE系统来选择DPS IC。文中还介绍了能够满足ATE系统的输出电流和散热要求的系统级架构。

器件电源(DPS) IC具有灵活的电压驱动和电流驱动容量，能够为自动测试设备(ATE)提供动态测试能力。当负载电流介于两个设定限流值之间时，DPS IC可以作为电压源；在达到设定限流值时，DPS IC可以顺利转换为精密电流源。   

图1.MAX32010示意图  

图1显示ADI器件电源MAX32010的简化架构。开关FIMODE、FVMODE和FISLAVEMODE选择不同的模式，如FV（电压驱动）、FI（电流驱动）和FI从器件选择，而开关HIZF和HIZM分别选择MV（测量电压）和MI（测量电流）模式。与外部检测电阻相结合，RANGEMUX支持多个电流范围，RA(1.2A)、RB(20mA)、RC(2mA)和RD(200µA)。通过使用公式RSENSE=1V/IOUT更改检测电阻值，可设计自定义电流范围。借助CLEN开关以及ICLMP和VCLMPDAC，用户还可设置可编程电压和箝位电流。  

本文先介绍设计系统中的器件电源IC时的两个重要考虑因素，范围变更毛刺和效率。然后，文章详细介绍构建满足特定应用要求的DPS系统的一些需要考虑的因素。  

范围变更毛刺   

图2.比较ADI和同类产品之间的范围变更毛刺  

我们来看第一个考虑因素，测量范围变更而引起的毛刺问题。当ATE执行DUT测试时，系统可能需要针对不同的测试来更改电流范围。IDDQ或静态电流测量通常需要最低的电流范围，用于测量较小的电流值。在移动至最低电流范围时出现的电压尖峰或毛刺不仅会影响测量，还有可能损坏DUT。无毛刺范围变更可保护DUT，并验证测试。使用270pF的负载电容进行测试时，ADI的DPS能够非常顺利地执行这一转换，没有任何毛刺，如图2所示。如果不使用负载电容(0pF)，将会在20µs范围内发生转换，斜坡速率为25mV/20µs。与右侧产品在转换时产生的毛刺相比，该转换产生的毛刺小得多。在数微秒的时间内，右侧DPS的毛刺为159mV。因此，ADI的DPS性能比同类产品的范围变更性能高536%，而且不会对DUT造成任何损害。  

器件电源效率   

表1.器件电源效率分析  

在选择DPS IC时，器件电源效率是第二个重要的考虑因素，因为该因素直接影响系统的成本和可靠性。效率越高，节省的成本就越多，可靠性更强，通常系统寿命也更长。效率较低的DPS产生的热量更多；更多热量意味着更多损耗，系统中组件的故障率变得更高。  

器件电源效率的计算公式是，效率=功率输出/功率输入。  

如表1所示，与其他DPS供应的电流(1A)相比，ADI的DPS以更高的效率(58.33%)供应更多电流(1.2A)。ADI的DPS效率比产品2的DPS IC高11%，比产品1的DPS IC高155%。  

现在，我们来考虑构建DPS系统以满足特定应用要求时的一些方面。  

如何满足DPS中的自定义负载电流要求  

图3.使用检测电阻选择自定义负载电流  

对于每个受测器件(DUT)，每个ATE都有自定义负载电流要求。MAX32010允许通过只更改1个检测电阻值来选择自定义范围。MAX32010中的RANGEMUX选择以下电流范围之一：RA(1.2A)、RB(20mA)、RC(2mA)或RD(200µA)。通过使用公式RSENSE=1V/IOUT，选择检测电阻值。例如，负载电流要求是5mA；5mA是自定义负载电流，属于范围B。要选择正确的RSENSE：RSENSE=RB=1V/5mA=200Ω。  

如何提高输出电流   

图4.配置并联DPS实现更高的输出电流  

很多时候，DUT所需的电流可能高于单颗DPS芯片能够提供的电流。如图4所示，通过并联多个DPS器件，可实现超过1.2A的额外电流。两个器件均保持FI模式，从而使电流加倍。例如，将两个7V，1.2A器件并联能够实现7V，2.4A的输出电流。 

图5.MAX32010的50%占空比脉冲测试输出  

要提高DPS的输出驱动电流能力，另一个方法是脉冲输出。如果电流要求只持续很短的时间，则脉冲测试是可行选择，如图5所示。例如测试DUT的I-V特性。通过更改FI开启时间的占空比，可执行脉冲测试。在该测试中，DPS模式在50%的时间里设为FI模式，在另外50%的时间里设为“高阻抗”模式。根据DUT电流要求，占空比可能有所变化。我们在MAX32010IC上执行了该试验，结果如下所示：  

最大输出电流=1.436A，占空比达50%  

如何为DPS系统选择正确的散热器  

要想获得可靠稳定的系统，必须正确选择散热器。以下示例显示了为MAX32010选择正确散热器的分步指南。  

第1步：获取封装的相关尺寸。通过封装热分析有助于选择正确的散热器。了解用于散热的裸露焊盘所在区域十分重要。  

第2步：获取PCB热性能，以计算θJA的边界条件。计算功耗，并考虑所有散热方式（传导、对流和辐射）。   

图6.带散热器的MAX32010封装的温度分布  

第3步：在计算封装的温度分布时，散热器底面积和散热器风扇的转速是两个重要的变量。请记住，IC的结温应保持在热关断温度以下。我们使用静止空气开展的分析表明，对于MAX32010，要使结温保持在140°C以下，需要一个底面积为30.48mmx30.48mm、厚度为5mm、散热片长15mm的散热器。   

图7.MAX32010的热分析  

第4步：要想使IC的结温保持在140°C以下，气流和散热器材料发挥着重要作用。我们的分析表明，通过使铜散热器的气流增加1m/s，可显著改善温度性能。  

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