如何使用 SSR 实现可靠都的、可快速开关的低损耗半导体自动测试设备
作者：Jens Wallmann
集成电路 (IC) 降低了硬件开发成本，促进了电子设备的小型化并具有广泛的功能，因此比以往任何时候都更加抢手。为确保大批量生产的质量，半导体制造商需要可靠、紧凑的自动测试设备 (ATE) ，能够在保持信号低电平、信号高电平且损耗最小的情况下快速开关高频 AC 和 DC 电流。
基于光电 MOSFET 的固态继电器 (SSR) 是 IC 测试仪和 ATE 应用的理想之选。这些器件的微型尺寸和无磨损特性尤其引人关注。
本文简要讨论 ATE 的要求。然后介绍 [Panasonic] 的 PhotoMOS 系列固态继电器中不同类型的光伏 MOSFET 继电器，并着重说明这种继电器在元件几何形状和开关特性方面的差异。本专题最后还将介绍加快开关速度和降低 PhotoMOS 特定型漏电流的设计技巧。
封装密度高，信号路径短
自动 IC 测试仪使用密集的针状适配器（探头卡）与被测设备 (DUT) 接触，以进行功能测试。测试头中的模块可产生并分配高速测试脉冲，提供适当的电压并开关测量通道。每次测试时都必须在密闭空间内进行，以尽量减少线路损耗，缩短信号传播时间并减少干扰和信道串扰。
为此，设计人员可以使用小型开关元件，如 Panasonic 的 [AQ 系列]继电器。例如，压控 CC 型 [AQY2C1R6PX] PhotoMOS 固态继电器采用 TSON 封装， 大小为 3.51 mm^2^ (1.95 × 1.80 mm)（图 1）。该器件利用电容耦合提供 200 V 隔离保护，并采用电压控制且控制功率只需 1.2 mW。
图 1：所示为 AQ 系列小信号 PhotoMOS 继电器的外壳尺寸（以 mm 为单位）。（图片来源：Panasonic，经作者修改）
电流控制 RF 型 [AQY221R6TW] PhotoMOS 继电器封装小，仅为 3.8 mm²，但其 VSSOP 外壳比 AQY2C1R6PX 高 3.6 倍。该器件的控制功率只需 75 mW，并利用光耦合提供 200 V 保护隔离。CC 和 RF 型的漏电流 (I Leak ) 非常低，仅为 10 纳安 (nA) 。
图 2 显示了带电容耦合的 CC 型继电器（左） 和带光学耦合的 RF 型继电器（右）的电路原理。
图 2：AQY2C1R6PX CC 型 PhotoMOS 固态继电器（左）采用电容耦合，由电压驱动；AQY221R6TW RF 型（右）采用光耦合，由电流驱动。（图片来源：Panasonic，经作者修改）
GE [AQV214EHAX] 型还采用了光耦合技术，在控制电路 (IN) 和负载电路 (OUT) 之间提供高达 5 kV 的较高保护绝缘。该器件采用体积较大的 6-SMD 封装，尺寸为 8.8 mm x 6.4 mm，有鸥翼引线。GE 系列的 SSR 只需 75 mW 控制功率，即可在最高 400 V 电压下开关高达 150 mA 的负载电流。
优化接触电阻和输出电容
与典型的半导体器件一样，固态继电器也具有“导通”电阻 (R on ) 和输出电容 (C out ) ，这两个参数分别会导致热损耗和漏电流。根据需要开关的信号类型，不同类型的继电器会对这两个参数中的某一个进行优化。
Ron 特别低的固态继电器，在开关高频 AC 测试脉冲时衰减较小。具有低 Cout 的固态继电器，可对 DC 信号进行更精确的测量，而 Cout 高的固态继电器则适用于开关更高的功率。图 3 所示为一个自动半导体器件测试系统，并说明了哪些 PhotoMOS 继电器类型最适合测试头测量模块中的各种信号路径。
图 3：这套自动半导体测试系统的每个信号路径都需要特定类型的 PhotoMOS 继电器。（图片来源：Panasonic）
[AQY2C1R3PZ]和 [AQY221N2TY]PhotoMOS 继电器分别具有 1.2 pF 和 1.1 pF 的低 C out 。这样，这些器件的开关时间可达 10 µs 和 20 µs (AQY2C1R3PZ) ，以及 10 µs 和 30 µs (AQY221N2TY) 。这两款继电器的折衷结果是增大了 R on ，分别达到 10.5 Ω 和 9.5 Ω，并导致损耗和元件发热增加。这些 PhotoMOS 继电器适用于以较低的电流快速开关测量信号，而且在高频信号下产生的反射/相移较小。
前文讨论过的 AQY2C1R6PX 和 AQY221R6TW 更适合开关速度较慢的电源信号和电流较大的电源电压。虽然这些器件的 Ron 较低，导致元件发热较少，但其 Cout 较大，会对信号产生积分器效应。
将信号失真降至最低
例如，用于 AC 信号的光电三端双向可控硅，或者用于脉动 AC 信号的带双极晶体管的光耦合器，只代表简单开关 (1 form A) 的半导体继电器这些器件会因阈值、触发电压和开关延迟而导致负载信号失真。此外，反向恢复电流会产生谐波过冲（瞬时振荡）和 10 mmA 至 100 mA 漏电流。
在 Panasonic 的 PhotoMOS 继电器中，带有驱动电路的 FET 半桥最大程度地减少了这些信号失真，因此适用于诸如高速测试脉冲、测量信号和电源电压等 AC 和 DC 小信号的低损耗开关。关断时，两个输出连接之间的漏电流低于 1 微安 (µA)。
PhotoMOS 继电器分为 form A 型（单极单掷、常开触点 (SPST-NO)）或 form B 型（常闭触点、SPST-NC）以及多路产品。设计人员可通过组合 form A 和 form B 型器件来制造 form C 型开关，如单刀双掷 (SPDT) 、单刀转换开关和双刀双掷 (DPDT) 开关。
例如，[AQS225R2S]是一款采用 SOP16 封装的 4 路 PhotoMOS 继电器 (4SPST-NO)，在开关电压高达 80 V 的情况下可处理高达 70 mA 的电流。此外，[AQW214SX]是一款采用 SOP8 封装的双路 PhotoMOS 继电器 (2SPST-NO) ，在开关电压高达 400 V 时可处理高达 80 mA 的负载电流。
图 4 所示为 SSR、PhotoMOS 和光耦合器的内部结构及其典型的信号失真。PhotoMOS 继电器在阻性负载下不会造成信号削波或类似失真。
图 4：由于阈值电压和触发电压，SSR 和光耦合器会导致输出信号失真；而 PhotoMOS 继电器在开关 AC 和 DC 信号时不会失真。（图片来源：Panasonic，经作者修改）
为了减弱感性和容性开关负载的反馈效应，从而保护 PhotoMOS 输出级，设计人员必须在输出侧添加钳位和续流二极管、RC 和 LC 滤波器或压敏电阻。在 CC 系列中，钳位二极管可保护输入振荡器免受过压峰值的影响，并将控制信号限制在 3 V 至 5.5 V 之间，而 RC 滤波器可确保残余纹波小于 ±0.5 伏。
减小漏电流
断电时，PhotoMOS 继电器的 Cout 可作为交流电流和高频脉冲序列的旁路。为了大幅降低此类漏电流并最大限度地提高高频隔离能力，Panasonic 建议使用三个独立的 PhotoMOS 继电器，形成 T 电路（图 5，左）。在主信号路径中，1 Form A PhotoMOS 继电器 S1 和 S2 均为低 Ron 器件，而 1 Form A 短路开关 S3 则为低 Cout 器件。
图 5：当 S1 和 S2 断开时，接通的继电器 S3 对所有泄漏电流起短路作用（T 电路处于断开状态，右图) 。（图片来源：Panasonic，经作者修改）
T 电路接通状态（图 5，中间）：在 S1 和 S2 接通的情况下，其 Ron 最大程度地衰减信号电平，而关断的 S3 继电器的低 Cout 则对高频（低通）的衰减很小。
T 电路关断状态（图 5 右）：如果 S1 和 S2 处于断电状态，其 Cout 即为高频旁路（高通），但接通的 S3 继电器会使通过 S1 的容性信号短路（吸入回路）。
T 电路的接通/断开定时必须以先断后通 (BBM) 开关的方式实现。因此，在接通 S3 之前，应先断开 S1 和 S2。对于继电器，BBM 表示触点分别开关，而先通后断 (MBB) 表示触点以桥接方式开关。
加快 PhotoMOS 继电器的开关速度
PhotoMOS 继电器的内部光电传感器可用作太阳能电池，提供栅极充电电流。因此，LED 发出的光脉冲越亮，开关速度就越快。例如，图 6 中的自举元件 R1/R2/C1 会产生较大的电流脉冲。
图 6：自举元件 R1/R2/C1 提高了 PhotoMOS 继电器的接通速度。（图片来源：Panasonic）
在接通瞬间，C1 对 R2 起短路作用，因此 R1 的低电阻允许大电流流过。如果 C1 带有电荷且电阻较高，则需要添加 R2，以减少磁继电器的保持电流。因此，AQV204 PhotoMOS 继电器的接通时间从 180 µs 缩短到 30 µs。
结束语
通过使用小型无磨损的 PhotoMOS 继电器，设计人员可以提高 ATE 应用的信号密度和测量速度，同时减少维护需求。此外，遵循推荐的设计技术有助于最大限度地减少漏电流和开关时间。
审核编辑 黄宇
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