[PWM器件的量产测试方案]量产级方案

　　摘要：本文介绍了主要的PWM器件分类，并在此基础上，重点介绍了基于STS8200平台的PWM器件量产多工位并行测试解决方案，以及并行测试中的注意事项。 　　关键词：PWM器件；并行测试
　　
　　1引言
　　
　　脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）器件的特点是开关频率固定，通过改变脉冲宽度来调节占空比，从而控制输出电压或电流。基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环控制，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定在设定值。
　　随着PWM器件产量的逐渐提高及降低测试成本的需求，多工位测试已被广泛的认同及应用，四工位并行测试（CP测试中甚至会扩展到8-16工位）已普遍应用于生产中。本文将重点介绍适用于量产的PWM器件的多工位测试方案及PWM器件在量产测试中的注意事项。
　　
　　2PWM器件主要测试参数
　　及测试注意事项
　　
　　 由于PWM控制模式能量转换效率高的特点，PWM器件被广泛地应用于各种AC-DC、DC-DC电源管理类电路。其中AC-DC PWM器件外部回路需要接变压器，通过控制外部（或内部集成）的MOS管的开关来实现PWM功能，输入为交流信号，DC-DC PWM器件则通过外围的LC整流电路以及续流二极管实现DC电平的输出，自身有较强的带载能力。
　　常见的DC-DC PWM芯片有升压型及降压型，图1是基于STS8200平台的DC-DC 降压型PWM器件测试示意图，图2所示为DC-DC升压型PWM器件测试示意图。图3为AC-DC类PWM器件测试示意图。由于PWM器件通常都会有大电流参数测试，输入输出使用的是大电流源PVI，应采用四线开尔文接线。即输入源需要分FORCE/SENSE信号，接地也需要分AGND和DGS（Device Ground Sense），以保证在大电流下输入电压和测试值的精度。
　　 PWM器件的关键测试参数有频率、占空比、开关时间、反馈电压、输出电压、运放闭环参数、通态电阻等。
　　对于频率及占空比，通常直接从器件的SW端进行测试，PWM器件的开关频率都很高，有几百kHz，甚至上MHz。PWM器件的开关时间通常在几十到几百ns，对于大多数器件，直接采用测试机提供的资源TMU进行测试即可。在生产测试中，测试机资源与机械手的金手指之间不可避免地存在一定长度的连接线，连接线上通常存在一定的分布电容。对于少数PWM器件，分布电容的存在可能会影响到时间参数的测量，此时可以在器件时间信号进入TMU之前增加一个Buffer进行缓冲，以便测试到真实的结果。
　　输出电压（VOUT）为闭环参数，测量经LC滤波后的输出电压。这个参数的测试要重点注意三个方面：开尔文连接、DUT布线、及高频干扰抑制。输出电压测试时通常都会加大电流（几百毫安到几安），除测量用的VI源需要开尔文连接，对接地要求很高，DGS线必需通过机械手的金手指处与器件GND端短接，不能提前和AGND短接。由于PWM器件的开关频率都很高，有几百kHz，甚至上MHz，需要外围元器件、输入输出电容和LC滤波电路尽可能近地贴近器件管脚；通常被测器件频率越高，要求这些外围元件离器件引脚越近，同时DUT布线时高频信号的区域尽量用地线进行屏蔽，电流地的布线要足够粗，以减小地线阻抗。如果外围元器件离芯片管脚过远或者布局不合理，对于工作频率较高的PWM器件，严重时会造成输出电压异常，从而导致测试良率下降。另外需要选择串联等效电阻（ESR）小的电解或钽电容作为输入输出电容，以改善器件的负载特性。同时在输入端搭接一个小容值高频电容去除高频干扰，而且此电容尽可能离被测器件越近越好。
　　对反馈电压（VFB），器件FB端是高阻端，内部连接到误差放大器的输入端与内部基准电压进行比较，因此测试V/I源必须是高阻和高精度。同时，PWM器件属于高频开关器件，实际生产中，可能会工作在高频开关状态，此时需要根据器件特性与机械手金手指处引线长短，FB与GND间搭接高频小电容去除高频干扰，而且此电容尽可能离被测器件越近越好。
　　对于PWM器件内部的运放参数，AVO（开环电压增益），Ib（输入偏置电流），PSRR（误差放大器的电源抑制比）等参数，通常需要外围运放环路进行测试，以便获得更好的测试效果。
　　由此可见，PWM器件的测试，除了对测试机精度性能有要求，对外围测试电路的制作，元器件的选择也有较高要求，PWM器件测试中常规的外围器件为输入输出电容、储能电感及续流二极管。
　　1） 输入输出电容
　　 （1） 输入电容的作用：能够抑止在输入端出现的大的瞬态电压，同时在内部开关管开关时提供瞬态电流。
　　 （2） 输出电容的作用：与电感L组成LC整流电路，从而得到直流输出。
　　 （3） 输入输出电容的选择：具有较低的等效串联电阻（ESR）的铝或钽电容（输出电压纹波与电容的ESR在一定范围内成正比例关系）。
　　 （4） 在此输入输出电容上再并联高频小电容对高频干扰进行抑制。
　　 2） 储能电感
　　 （1） 电感的作用：与输出电容一起组成LC整流电路。在主开关断开时起到储能续流的作用，使输出电压稳定在恒定值。
　　 （2） 电感的选择：
　　 a） 大小要适合，一般的范围为几μH到百μH级。
　　 b） LC的乘积与器件输出纹波电压大小成反比例关系。
　　 c） LC的谐振频率f=要远低于器件的工作频率
　　 3） 续流二极管
　　 （1） 续流二极管的作用：
　　a） 降压型：主开关关断时保证电感能形成放电回路。
　　b） 升压型：主开关关断时防止负载端电流倒灌。
　　 （2） 续流二极管的选择：
　　a） 开关速度快。
　　b） 正向压降小（Pdiode=IloadVf）。
　　c） 额定电流至少为负载电流的1.2倍。
　　 d） 建议采用肖特基二极管（如MB360/ MB560/5842等）。
　　
　　3基于STS8200平台的
　　PWM器件多工位并行测试
　　
　　多工位PWM器件并行测试是不是简单的单工位测试的复制呢？对于测试电路，可以1×4或1×8地复制，但对于测试系统却不是简单的资源叠加。多工位并行测试其优势是效率高，以四工位为例，效率可达单工位的3.8-3.9倍。如此高的效率要求的不单单是VI源的增加，还要求工位间指令运行和测试的同步，即各个工位的硬件同步动作，这样才能做到增加一个工位就增加96-98%的吞吐量。而如果只是简单的源的叠加，各工位资源不是真正地并行工作，其吞吐量效率并不能达到有效的发挥。
　　由于PWM器件测试中负载电流都很大，测试回路不可避免地存在接触电阻，只有一根DGS线是无法保证各工位的测试精度。图4是单DGS多工位并行测试示意图，图5是其等效电路图。如图5所示，AGND与器件之间存在接线电阻Rc1，Rc2，Rc3，Rc4，同时接线与接线间也存在线间电阻R1，R2，R3。四个SITE的DGS都接在同一根DGS线上，等效于AGND线与DGS线提前短接，而不是在器件管脚处才短接。在大电流时，接触电阻和线间电阻存在较大电压损耗，DGS连接在器件GND近端，以补偿由于接地引起的电压压降，并排除其对测试的影响。而如果多工位的DGS线只有一根，那么没有一个工位的地线信号能被精确地补偿，测试精度无法保证，而且工位间会互相影响。因此只有一根DGS线能保证一个工位精度，不能用于多工位测试。
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　　 图6是基于STS8200的多工位并行测试。从图中可以看出，在STS8200系统里使用了多DGS的方法，即每工位都有一根独立的DGS。测试时各工位间相对独立，各工位间不会相互影响，导线和接地电阻的影响被排除，这样即保证了并行测试，又确保了每个工位的测试精度。
　　多DGS系统的另一个好处是单工位测试可以被简单地扩展成多工位测试，每根DGS线只要增加相应的VI源，就能扩展成一个工位，利用并行程序进行测试。即多DGS线的工位扩展是围绕DGS线展开的。有16根独立的DGS线，配合相应的VI源就能简单复制成16个工位。
　　 除此之外，在测试程序方面，STS8200也体现了完全并行的理念。单工位程序扩展成多工位，只需在程序里对硬件资源进行配置，多工位测试完成后，分别将各工位测试值读回即可，因此单工位测试程序与多工位程序几乎一致。
　　
　　4下一代PWM器件的测试方案
　　
　　 随着芯片的发展，PWM器件中越来越多地应用了CMOS工艺，在DC-DC SYNCHRONOUS BUCK器件里，内部集成了一个P沟道MOSFET和N沟道MOSFET。HIGH-SIDE PMOS连接VCC和LX， LOW-SIDE的 NMOS连接LX和PGND。这两个MOS的RDSON都很小，通常在百mΩ以内，在小电流条件下面，MOS管两端的压差非常小。对于PMOS此时MOS上的压降又是相对于VCC电源的，此时利用浮动源在MOS两端进行测试，将会获得比常规共地源更好的测试效果，线路形式也会变得简单。图7所示是将浮动源搭接在HIGN-SIDE的源漏端。浮动源的SENSE H和FORCE H接VCC，SENSE L和FORCE L接LX，电流从FORCE H流入VCC端，再从LX流回FORCE L。这样就可以利用浮动源相对较小的电压量程档进行测试，可以获得更高的精度。
　　 STS8200的多工位浮动源并行测试，其所有信号需要在同一个时钟频率下运行，以保证并行工作和测试。但由于浮动源每个VI通道是自成回路，因此各工位间更加独立，不需要接共同的GND，同一工位内只需要相对于器件GND共电位即可。对于硬件来讲，浮动源的多工位是1×工位数的方式。如图8所示为多工位浮动源测试示意图，浮动源可以方便地扩展成多工位，并保证工位间的独立，测试过程中各工位的电流自成回路，可以最大程度地减小工位间的相互干扰。
　　
　　5总结
　　
　　在PWM器件测试时，对外围线路的搭接和元件的选择都有较高的要求。总的原则是外围线路必须尽可能接近被测器件，地线尽量粗，并且必须要开尔文连接，由此获得理想的测试波形和测试准确度。
　　当PWM器件扩展成多工位并行测试时，每个工位都要有一根独立的DGS，多工位并行测试中每工位独立的DGS可以确保各工位的数据的精确度，同时要保证硬件资源是并行动作，以实现真正的并行测试，提高效率。
　　
　　参考文献
　　[1]《STS8200硬件手册》《STS8200软件手册》《STS8200应用手册》
　　[2] 《华峰文集2011》
　　[3] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础，高等教育出版社，2003年3月
　　
　　作者简介
　　王崧淼，2005年7月毕业于同济大学自动化专业，获学士学位。2010年复旦大学工程硕士集成电路专业在读研究生。2006年7月加入北京华峰测控技术有限公司，供职于应用服务部门（上海地区），主要职责是协助客户在本公司自主研发ATE设备上进行测试程序的开发与调试，专注于电源管理类器件的ATE量产方案制定与执行，同时在MOSFET量产测试领域也有较深厚的功底。
　　
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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