作者：Jens Wallmann

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

集成電路 （IC） 的需求比以往任何時(shí)候都大，因?yàn)樗鼈兘档土擞布_(kāi)發(fā)成本，促進(jìn)了電子設(shè)備的小型化，并提供廣泛的功能。為了確保大批量生產(chǎn)的質(zhì)量，半導(dǎo)體制造商需要可靠且緊湊的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備 （ATE），這些設(shè)備可以快速切換高頻交流和直流電流，信號(hào)電平低，損耗最小。

基于光伏MOSFET的固態(tài)繼電器（SSR）是IC測(cè)試儀和ATE應(yīng)用的理想選擇。它們的微型尺寸和無(wú)磨損特性特別有趣。

本文簡(jiǎn)要討論了 ATE 要求。然后介紹了[松下]PhotoMOS系列SSR中不同類(lèi)型的光伏MOSFET繼電器，并重點(diǎn)介紹了它們?cè)诮M件幾何形狀和開(kāi)關(guān)特性方面的差異。加速開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)和降低 PhotoMOS 特定漏電流的設(shè)計(jì)技巧總結(jié)了該主題。

高封裝密度和短信號(hào)路徑

自動(dòng) IC 測(cè)試儀使用密集排列的針適配器（探針卡）與被測(cè)設(shè)備 （DUT） 接觸，以執(zhí)行功能測(cè)試。測(cè)試頭中的模塊產(chǎn)生和分配高速測(cè)試脈沖，提供適當(dāng)?shù)碾妷?，并切換測(cè)量通道。每次測(cè)試都必須在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，以最大限度地減少線(xiàn)路損耗、信號(hào)傳播時(shí)間、干擾和信道串?dāng)_。

對(duì)于這項(xiàng)任務(wù)，設(shè)計(jì)人員可以使用小型開(kāi)關(guān)元件，例如 Panasonic 的 AQ 系列繼電器。例如，壓控CC型AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR采用TSON封裝，占地3.51平方毫米（mm ^2^ ）（1.95 × 1.80 mm）（圖 1）。它使用電容耦合提供 200 伏隔離保護(hù)，并受電壓控制，僅需要 1.2 毫瓦 （mW） 的控制功率。

圖 1：所示為 AQ 系列小信號(hào) PhotoMOS 繼電器的外殼尺寸;尺寸以毫米為單位。（圖片來(lái)源：Panasonic，由作者修改）

電流控制RF型AQY221R6TW PhotoMOS繼電器的尺寸僅為3.8 mm2，但其VSSOP外殼的高度是AQY2C1R6PX的3.6倍。它僅需要 75 mW 的控制功率，并使用光耦合提供 200 V 的保護(hù)隔離。漏電流（I 泄漏 ） 的 CC 和 RF 類(lèi)型非常低，為 10 納安 （nA）。

圖2顯示了帶電容耦合的CC型繼電器（左）和帶光耦合的RF型繼電器（右）的電路原理。

圖 2：AQY2C1R6PX CC 型 PhotoMOS SSR（左）采用電容耦合，由電壓驅(qū)動(dòng);AQY221R6TW射頻型（右）采用光耦合，由電流驅(qū)動(dòng)。（圖片來(lái)源：Panasonic，由作者修改）

GE [型AQV214EHAX]還使用光耦合，在控制電路 （IN） 和負(fù)載電路 （OUT） 之間提供高達(dá) 5 kV 的保護(hù)絕緣。它采用更大的 6 SMD 封裝，尺寸為 8.8 mm x 6.4 mm，帶有鷗翼引線(xiàn)。GE 系列 SSR 的控制功率僅為 75 mW，可在最大 400 V 電壓下切換高達(dá) 150 mA 的負(fù)載電流。

優(yōu)化接觸電阻和輸出電容

與半導(dǎo)體的典型特征一樣，SSR 具有“導(dǎo)通”電阻 （R 上 ）和輸出電容（C 外 ），分別導(dǎo)致熱損失和漏電流。不同的繼電器類(lèi)型根據(jù)要切換的信號(hào)類(lèi)型對(duì)其中一種進(jìn)行優(yōu)化。

具有特別低 R 的 SSR 類(lèi)型上切換高頻交流測(cè)試脈沖時(shí)衰減較小。具有低 C 的 SSR外可對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量，而具有高 C 的類(lèi)型外適用于切換更高的功率水平。圖3顯示了一個(gè)自動(dòng)化半導(dǎo)體測(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：該自動(dòng)化半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)的每個(gè)信號(hào)路徑都需要特定的 PhotoMOS 繼電器類(lèi)型。（圖片來(lái)源：Panasonic）

AQY2C1R3PZ 和 AQY221N2TY PhotoMOS 繼電器具有低 C外分別為 1.2 和 1.1 皮法 （pF）。這允許它們以高達(dá) 10 和 20 微秒 （μs） （AQY2C1R3PZ） 以及 10 和 30 微秒 （AQY221N2TY） 的速度打開(kāi)和關(guān)閉。兩個(gè)繼電器的權(quán)衡是增加 R 上 ，分別為 10.5 和 9.5 Ω，導(dǎo)致更高的損耗和組件發(fā)熱。這些PhotoMOS繼電器適用于在低電流下快速切換測(cè)量信號(hào)，并且它們?cè)诟哳l信號(hào)中產(chǎn)生的反射/相移較少。

前面討論的AQY2C1R6PX和AQY221R6TW更適合開(kāi)關(guān)速度較慢的電源信號(hào)和具有較高電流的電源電壓。雖然他們的下 R上導(dǎo)致較少的組件發(fā)熱，其較大的 C外對(duì)信號(hào)具有積分器效應(yīng)。

將信號(hào)失真降至最低

僅代表簡(jiǎn)單開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)（1 Form A）的半導(dǎo)體繼電器是用于交流信號(hào)的光電三端雙向可得或帶有雙極晶體管的光耦合器（用于脈動(dòng)直流信號(hào)）的示例。這些器件會(huì)因閾值、點(diǎn)火電壓和開(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（振鈴）和幾 10 至 100 毫安 （mA） 的漏電流。

Panasonic 的 PhotoMOS 繼電器中帶有驅(qū)動(dòng)電路的 FET 半橋可最大限度地減少這些信號(hào)失真，因此它們適用于交流和直流小信號(hào)（如高速測(cè)試脈沖、測(cè)量信號(hào)和電源電壓）的低損耗開(kāi)關(guān)。關(guān)閉時(shí)，兩個(gè) OUT 連接之間的漏電流低于 1 微安 （μA）。

PhotoMOS繼電器有A型（單刀、單擲、常開(kāi)觸點(diǎn)（SPST-NO））或B型（常閉觸點(diǎn)，SPST-NC）和多個(gè)。設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建 C 型開(kāi)關(guān)，例如單刀雙擲 （SPDT）;單極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān);以及通過(guò)組合 A 型和 B 型器件的雙刀雙擲 （DPDT） 開(kāi)關(guān)。

例如，[AQS225R2S]是采用 SOP16 外殼的四路 PhotoMOS 繼電器 （4SPST-NO），可在高達(dá) 80 V 的開(kāi)關(guān)電壓下處理最大 70 mA 的電流。此外，[該AQW214SX]是采用 SOP8 外殼的雙 PhotoMOS 繼電器 （2SPST-NO），可在高達(dá) 400 V 的開(kāi)關(guān)電壓下處理高達(dá) 80 mA 的負(fù)載電流。

圖4顯示了SSR、PhotoMOS和光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及它們的典型信號(hào)失真。PhotoMOS繼電器不會(huì)在歐姆負(fù)載上造成信號(hào)削波或類(lèi)似的失真。

圖 4：SSR 和光電耦合器會(huì)因閾值和點(diǎn)火電壓而導(dǎo)致輸出信號(hào)失真;PhotoMOS 繼電器可切換交流和直流信號(hào)而不會(huì)失真。（圖片來(lái)源：Panasonic，由作者修改）

為了減弱電感和電容開(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)添加箝位和續(xù)流二極管、RC和LC濾波器或壓敏電阻。在 CC 系列中，箝位二極管可保護(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，而 RC 濾波器可確保殘余紋波小于 ±0.5 V。

減少漏電流

The C外當(dāng)繼電器斷電時(shí)，PhotoMOS 繼電器用作交流電和更高頻率脈沖序列的旁路。為了顯著降低此類(lèi)泄漏電流并最大限度地提高高頻隔離度，Panasonic 建議使用 T 型電路形式的三個(gè)獨(dú)立的 PhotoMOS 繼電器（圖 5，左）。在主信號(hào)路徑中，兩個(gè) 1 Form A PhotoMOS 繼電器 S1 和 S2 為低電阻上類(lèi)型，而低 C外類(lèi)型形成 1 Form A 短路開(kāi)關(guān) S3。

圖 5：當(dāng) S1 和 S2 斷電時(shí)，接通的繼電器 S3 充當(dāng)所有泄漏電流的短路（T 電路關(guān)閉狀態(tài)，右）。（圖片來(lái)源：Panasonic，由作者修改）

T 電路 ON 狀態(tài)（圖 5，中間）：在 S1 和 S2 接通的情況下，它們的 R上將信號(hào)電平衰減最小，而低 C外從關(guān)閉的 S3 繼電器略微衰減高頻（低通）。

T 電路關(guān)閉狀態(tài)（圖 5，右）：如果 S1 和 S2 斷電，則它們的 C外表示高頻（高通）的旁路，但接通的 S3 繼電器使通過(guò) S1（吸入電路）的信號(hào)電容短路。

T 電路的 ON/OFF 時(shí)序必須作為先接后斷 （BBM） 開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，在打開(kāi) S3 之前，應(yīng)停用 S1 和 S2。對(duì)于繼電器，BBM 意味著觸點(diǎn)單獨(dú)切換，而先接后斷 （MBB） 意味著它們以橋接方式切換。

更快地切換 PhotoMOS 繼電器

PhotoMOS繼電器的內(nèi)部光電傳感器用作太陽(yáng)能電池，并提供柵極充電電流。因此，來(lái)自 LED 的更亮的光脈沖可提高開(kāi)關(guān)速度。例如，圖 6 中的自舉元件 R1/R2/C1 產(chǎn)生更高的電流脈沖。

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）

C1 在接通時(shí)充當(dāng) R2 的短路，因此 R1 的低電阻允許大電流流動(dòng)。如果 C1 帶電并且具有高電阻，則添加 R2，從而減少流向保持電流的流量，就像磁繼電器一樣。因此，AQV204 PhotoMOS 繼電器將其導(dǎo)通時(shí)間從 180 μs 縮短至 30 μs。

結(jié)論

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。