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候都大，因為它們降低了硬件開發(fā)成本，促進了電子設(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，半導體制造商需要可靠且緊湊的自動化測試設(shè)備 （ATE），這些設(shè)備可以快速切換高頻交流和直流電流，信號電平低，損耗最小。

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

本文簡要討論了 ATE 要求。然后介紹了[松下]PhotoMOS系列SSR中不同類型的光伏MOSFET繼電器，并重點介紹了它們在組件幾何形狀和開關(guān)特性方面的差異。加速開/關(guān)開關(guān)和降低 PhotoMOS 特定漏電流的設(shè)計技巧總結(jié)了該主題。

高封裝密度和短信號路徑

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

對于這項任務，設(shè)計人員可以使用小型開關(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，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 PhotoMOS 繼電器的外殼尺寸;尺寸以毫米為單位。（圖片來源：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 的保護隔離。漏電流（I 泄漏 ） 的 CC 和 RF 類型非常低，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;AQY221R6TW射頻型（右）采用光耦合，由電流驅(qū)動。（圖片來源：Panasonic，由作者修改）

GE [型AQV214EHAX]還使用光耦合，在控制電路 （IN） 和負載電路 （OUT） 之間提供高達 5 kV 的保護絕緣。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。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 150 mA 的負載電流。

優(yōu)化接觸電阻和輸出電容

與半導體的典型特征一樣，SSR 具有“導通”電阻 （R 上 ）和輸出電容（C 外 ），分別導致熱損失和漏電流。不同的繼電器類型根據(jù)要切換的信號類型對其中一種進行優(yōu)化。

具有特別低 R 的 SSR 類型上切換高頻交流測試脈沖時衰減較小。具有低 C 的 SSR外可對直流信號進行更準確的測量，而具有高 C 的類型外適用于切換更高的功率水平。圖3顯示了一個自動化半導體測試系統(tǒng)，并說明了哪些PhotoMOS繼電器類型最適合測試頭測量模塊中的各種信號路徑。

圖 3：該自動化半導體測試系統(tǒng)的每個信號路徑都需要特定的 PhotoMOS 繼電器類型。（圖片來源：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 10 和 20 微秒 （μs） （AQY2C1R3PZ） 以及 10 和 30 微秒 （AQY221N2TY） 的速度打開和關(guān)閉。兩個繼電器的權(quán)衡是增加 R 上 ，分別為 10.5 和 9.5 Ω，導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量信號，并且它們在高頻信號中產(chǎn)生的反射/相移較少。

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

將信號失真降至最低

僅代表簡單開/關(guān)開關(guān)（1 Form A）的半導體繼電器是用于交流信號的光電三端雙向可得或帶有雙極晶體管的光耦合器（用于脈動直流信號）的示例。這些器件會因閾值、點火電壓和開關(guān)延遲而導致負載信號失真。此外，反向恢復電流會產(chǎn)生諧波過沖（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)動電路的 FET 半橋可最大限度地減少這些信號失真，因此它們適用于交流和直流小信號（如高速測試脈沖、測量信號和電源電壓）的低損耗開關(guān)。關(guān)閉時，兩個 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、常開觸點（SPST-NO））或B型（常閉觸點，SPST-NC）和多個。設(shè)計人員可以構(gòu)建 C 型開關(guān)，例如單刀雙擲 （SPDT）;單極轉(zhuǎn)換開關(guān);以及通過組合 A 型和 B 型器件的雙刀雙擲 （DPDT） 開關(guān)。

例如，[AQS225R2S]是采用 SOP16 外殼的四路 PhotoMOS 繼電器 （4SPST-NO），可在高達 80 V 的開關(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 400 V 的開關(guān)電壓下處理高達 80 mA 的負載電流。

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失真。PhotoMOS繼電器不會在歐姆負載上造成信號削波或類似的失真。

圖 4：SSR 和光電耦合器會因閾值和點火電壓而導致輸出信號失真;PhotoMOS 繼電器可切換交流和直流信號而不會失真。（圖片來源：Panasonic，由作者修改）

為了減弱電感和電容開關(guān)負載的反饋效應，從而保護PhotoMOS輸出級，設(shè)計人員必須在輸出側(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，箝位二極管可保護輸入振蕩器免受過壓峰值的影響，并將控制信號限制在 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外當繼電器斷電時，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 型電路形式的三個獨立的 PhotoMOS 繼電器（圖 5，左）。在主信號路徑中，兩個 1 Form A PhotoMOS 繼電器 S1 和 S2 為低電阻上類型，而低 C外類型形成 1 Form A 短路開關(guān) S3。

圖 5：當 S1 和 S2 斷電時，接通的繼電器 S3 充當所有泄漏電流的短路（T 電路關(guān)閉狀態(tài)，右）。（圖片來源：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 S1（吸入電路）的信號電容短路。

T 電路的 ON/OFF 時序必須作為先接后斷 （BBM） 開關(guān)來實現(xiàn)。因此，在打開 S3 之前，應停用 S1 和 S2。對于繼電器，BBM 意味著觸點單獨切換，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能電池，并提供柵極充電電流。因此，來自 LED 的更亮的光脈沖可提高開關(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。（圖片來源：Panasonic）

C1 在接通時充當 R2 的短路，因此 R1 的低電阻允許大電流流動。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 繼電器將其導通時間從 180 μs 縮短至 30 μs。

結(jié)論

通過使用小型、無磨損的PhotoMOS繼電器，設(shè)計人員可以提高ATE應用的信號密度和測量速度，同時減少維護需求。此外，遵循推薦的設(shè)計技術(shù)有助于最大限度地減少漏電流和開關(guān)時間。