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组件电源（DPS）IC能够弹性加载电压、加载电流，为自动测试设备（ATE）提供动态测试能力。当负载电流在两个可编程电流限值之间时，DPS IC为电压源，并且在达到设定的电流限值时平稳转换为精密电流源/灌电流。
图一为ADI新一代组件电源IC MAX32010的简化框图。开关FIMODE、FVMODE和FISLAVE MODE选择不同的工作模式，例如：加载电压（FV）、加载电流（FI）和FI Slave模式；开关HIZF和HIZM分别选择MV （电压测量）和MI （电流测量）模式。RANGE MUX与外部检流电阻相结合，支持不同的电流量程：RA （1.2A）、RB （20mA）、RC （2mA）和RD （200μA）。
透过改变检流电阻值，可靠自定义电流量程，计算公式为： RSENSE = 1V/IOUT。CLEN开关和ICLMP、VCLMP DAC允许用户设定可编程电压和电流箝位。


 
图一 : MAX32010方框图

本文将首先介绍在系统中设计DPS IC电路的两个重要主要事项：量程变化时产生的突刺问题，以及供电效率问题。之后详细介绍建构满足具体应用需求的DPS系统时的相关事项。

突刺问题
我们首先讨论第一个注意事项，即量程变化时产生的尖峰电压或突刺。ATE在执行被测件（DUT）测试时，系统可能需要针对不同的测试要求更改电流量程。
对于IDDQ或静态电流的测量，通常要求置于最小电流量程，以测量较小的电流值。切换到最小电流量程时，所产生的电压脉冲或突刺不但会影响测量精度，而且可能损坏DUT。无扰动（突刺）量程切换能够有效保护DUT，并确保测试的有效性。

当负载电容为270pF时，ADI的DPS能够非常平稳进行量程转换，不会产生任何尖峰脉冲或突刺，如图二所示。没有负载电容（0pF）时，量程转换时间为20μs，缓变率为25mV/20μs。此种切换方案所产生的突刺远低于竞争方案，同类竞争产品DPS所产生的尖峰脉冲会达到159mV，持续时间长达几个微秒。由此可见，切换量程时，采用ADI的DPS可以获得最佳性能，突刺降低536%，不会对DUT造成任何损坏。


 
图二 : 量程切换时，ADI DPS和某竞争组件的尖峰脉冲比较。

组件电源效率
组件电源的效率直接影响到系统的成本和可靠性，这也是选择DPS IC时第二个需要关注的问题。效率越高越有助于降低成本、提高系统的可靠性，并且延长系统的寿命。DPS的效率越低，产生的热量就越大；发热越多表示系统部件磨损越大、故障率越高。组件电源效率可依照下式计算：
效率 = 输入功率/输出功率

如表一所示，ADI DPS提供的电流（1.2A）高于竞争组件 （1A），且具有更高效率（58.33%）。MAX32010 DPS的效率比「竞品2」DPS IC的效率提高11%，比「竞品1」提高155%。

表一：竞争产品分析：组件电源效率

以下，我们讨论如何建构满足具体应用要求的DPS系统。
如何实现负载电流客制化
ATE系统都会针对每个被测件（DUT）制定负载电流要求 （图三）。MAX32010设计中，只需更改一个检流电阻值即可实现针对具体测试零件的量程选择。MAX32010中的RANGE MUX允许选择以下电流量程之一：RA （1.2A）、RB （20mA）、RC （2mA）或RD （200μA）。检流电阻值的计算公式为： RSENSE = 1V/IOUT例如，如果负载电流要求为5mA；5mA定制负载电流处于量程B范围内。选择正确的 RSENSE: RSSENSE= RB = 1V/5mA = 200Ω。


 
图三 : 利用感流电阻实现客制化负载电流选择

如何增大输出电流
多数情况下，DUT要求的电流可能高于DPS能够提供的电流。透过将多个DPS组件并联，可以获得1.2A以上的电流，如图四所示。两片组件均配置在FI模式，可将输出电流翻倍。例如：将两片7V、1.2A的组件并联在一起，可实现高达7V、2.4A的输出电流。


 
图四 : 两片DPS并联实现较高的输出电流

提高DPS输出驱动电流能力的另一途径是采用脉冲输出。如果大电流输出仅限于较短的持续时间，脉冲式测量将是切实可行的选项，如图五所示。如此测试的一个例子是DUT的I-V特征分析。透过更改FI导通时间的工作周期实现脉冲式测量。
在该测试中，DPS模式在50%的时间设定为FI模式，另外50%的时间设定为「高阻」模式。可根据DUT电流的要求更改工作周期。对于MAX32010 IC进行了该项试验，结果如下：
最大输出电流 = 1.436A （工作周期为50%）


 
图五 : 采用50%工作周期时，MAX32010的脉冲式测量输出

为DPS系统选择正确的散热片
为了保证系统的可靠性和稳定性，选择正确的散热片必不可少。以下将逐步介绍如何为MAX32010选择正确的散热片。
【第1步】确定封装的相关尺寸。对封装进行热分析有助于选择正确的散热片。充分利用外露焊垫散热区域非常重要。
【第2步】根据PCB热特性计算热阻值（θJA）的边界条件。计算功率损耗，并将所有散热介质（传导、对流和辐射）纳入考虑。
【第3步】计算封装的温度分布时，散热器面积和散热风扇的气流是两个非常重要的变量（图六）。切记IC的结温应保持低于热关断温度。我们在静止空气环境下的测试分析显示，为了保证结温低于140°C，MAX32010需要采用面积为30.48mm x 30.48mm、厚度为5mm、鳍片长度为15mm的散热片。


 
图六 : MAX32010封装温度分布（具有散热片）

【第四步】为确保IC结温低于140°C，气流和散热片材料也非常重要。我们的分析显示，为铜散热器增加1m/s的气流，能够明显改善热性能（图七）。


 
图七 : MAX32010热分析

总结
本文为自动测试设备（ATE）系统设计提供组件电源（DPS） IC的选型指南。文中讨论的注意事项可协助客户针对其具体的ATE系统需求合理选择DPS IC。文中同时介绍能够满足ATE系统输出电流、热要求的最佳系统级架构。
（本文作者Madhura Tapse为ADI公司应用高阶技术人员）

关键词： 自动测试设备 组件电源 ADI