构建满足特定应用要求的DPS系统需要考虑这些因素!

时间:2022-09-20

    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(200?A)。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的电流范围,用于测量较小的电流值。在移动至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20?s范围内发生转换,斜坡速率为25mV/20?s。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(200?A)。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:
    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。
    结论
    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。


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