Szilárdtestrelék használata megbízható, gyors kapcsolású, kis veszteségű automatizált félvezető-ellenőrző berendezésekben

Az integrált áramkörökre (IC, integrated circuit) nagyobb az igény, mint valaha, mert csökkentik a hardverfejlesztési költségeket, elősegítik az elektronikus eszközök miniatürizálását, és számos funkcióra alkalmassá tehetők. A nagy gyártási tételek minőségének biztosítása érdekében a félvezetőgyártóknak megbízható és kis méretű automatizált ellenőrző berendezésekre (ATE, automated test equipment) van szükségük, amelyek gyorsan és minimális veszteséggel képesek kis és nagy jelszintű nagyfrekvenciás váltakozó áramot és egyenáramot is kapcsolni.

A fényelektromos vagy idegen szóval fotovoltaikus (PV, photovoltaic) MOSFET-eken alapuló szilárdtestrelék (SSR, solid state relay), azaz félvezetős relék ideálisak az IC-tesztelő és automatizált ellenőrző berendezésekben való használatra. Kis méretük és kopásmentességük különösen érdekfeszítő.

Ez a cikk röviden tárgyalja az automatizált ellenőrző berendezések által támasztott követelményeket. Ezután bemutatja a Panasonic PhotoMOS sorozatú szilárdtestrelé termékcsaládjába tartozó fényelektromos MOSFET relék néhány típusát, és rávilágít az alkatrészek méreteiben és kapcsolási jellemzőiben mutatkozó különbségekre. A témát a nyitás és zárás gyorsítására és a PhotoMOS-specifikus visszáramok csökkentésére vonatkozó tervezési tippek zárják.

Nagy kitöltési sűrűség és rövid jelútvonalak

Az automatizált IC-tesztelő eszközök a funkciók ellenőrzése során nagy érintkezősűrűségű adapterek (tesztelőkártyák) segítségével vannak összekapcsolva a tesztelt eszközzel (DUT, device under test). A mérőfej mérőmoduljai nagy sebességű tesztimpulzusokat állítanak elő és juttatnak a tesztelendő eszközökre, megfelelő feszültségeket szolgáltatnak, és váltanak a mérési csatornák között. A vezetékveszteségek, a jel terjedési ideje, a zavarás és a csatornaáthallás minimálisra csökkentése érdekében minden vizsgálatnak zárt térben kell történnie.

Ehhez a feladathoz a tervezők olyan kisméretű kapcsolóeszközöket használhatnak, mint a Panasonic AQ sorozatú reléi. A feszültségvezérelt CC típusú AQY2C1R6PX PhotoMOS szilárdtestrelé például 3,51 mm² (1,95 mm × 1,80 mm) méretű TSON tokozásban kapható (1. ábra). Kapacitív csatolással 200 V-os szigetelési védelmet kínál, és mivel feszültségvezérelt, így mindössze 1,2 mW vezérlőteljesítményt igényel.

1. ábra: Az ábrán az AQ sorozatú kisjelű PhotoMOS relék tokméretei láthatóak. A méretek milliméterben vannak megadva (ábra: Panasonic, a szerző által módosítva)

Az áramvezérelt, RF típusú AQY221R6TW PhotoMOS relé kis, 3,8 mm² alapterületű, de VSSOP tokja 3,6-szer magasabb, mint az AQY2C1R6PX reléé. Mindössze 75 mW vezérlőteljesítményt igényel, és optikai csatolásának köszönhetően 200 V-os védőszigetelést kínál. A CC és RF típusú relék visszárama (I_Leak) nagyon kicsi, mindössze néhányszor 10 nA.

A 2. ábrán a CC típusú, kapacitív csatolású relék (balra) és az RF típusú, optikai csatolású relék (jobbra) blokkvázlata látható.

2. ábra: A CC típusú AQY2C1R6PX PhotoMOS szilárdtestrelé (balra) kapacitív csatolást használ és feszültségvezérelt, míg az RF típusú AQY221R6TW szilárdtestrelé (jobbra) optikai csatolást használ és áramvezérelt (ábra: Panasonic, a szerző által módosítva)

A GE típusú AQV214EHAX relé szintén optikai csatolást használ, és jelentősen magasabb, akár 5 kV feszültségig nyújt elkülönítési védelmet a vezérlőáramkör (IN, bemenet) és a terhelőáramkör (OUT, kimenet) között. Nagyobb, 8,8 mm × 6,4 mm-es, sirályszárnyas lábakkal ellátott 6-SMD tokozásban kerül forgalomba. A GE sorozatú szilárdtestrelék mindössze 75 mW vezérlőteljesítményt igényelnek, és legfeljebb 150 mA terhelőáramot kapcsolnak maximum 400 V feszültségen.

Az érintkezési ellenállás és a kimeneti kapacitás optimalizálása

A félvezetőkre jellemző módon a szilárdtestreléknek van valamekkora nyitóirányú ellenállásuk (R_on) és kimeneti kapacitásuk (C_out), amelyek melegedés miatti teljesítményveszteséget, illetve visszáramot okoznak. A különböző relétípusok a kapcsolandó jel típusától függően az egyik vagy a másik típusra vannak optimalizálva.

A különösen kis R_on nyitóirányú ellenállású szilárdtestrelé-típusok kisebb csillapítást okoznak a nagyfrekvenciás váltakozó áramú ellenőrző impulzusok kapcsolásakor. A kis C_out kimeneti kapacitású szilárdtestrelék az egyenáramú jelek pontosabb mérését teszik lehetővé, míg a nagy C_out értékű típusok nagyobb teljesítmények kapcsolására alkalmasak. A 3. ábrán egy automatizált félvezető-ellenőrző rendszer látható, és az ábra jól szemlélteti, hogy mely PhotoMOS relétípusok illeszkednek a legjobban a mérőfej mérőmodulján belüli különböző jelútvonalakhoz.

3. ábra: Az automatikus félvezető-ellenőrző rendszer minden jelútvonalához egy adott PhotoMOS relétípusra van szükség (ábra: Panasonic)

Az AQY2C1R3PZ és az AQY221N2TY PhotoMOS relének kicsi, 1,2 pF, illetve 1,1 pF a C_out kimeneti kapacitása. Ez lehetővé teszi, hogy akár 10 µs és 20 µs (mikroszekundum, milliomodmásodperc) (AQY2C1R3PZ), illetve 10 µs és 30 µs (AQY221N2TY) közötti idő alatt nyissanak, illetve zárjanak. A kompromisszum mindkét relé esetében a megnövekedett, 10,5 Ω, illetve 9,5 Ω nagyságú R_on nyitóirányú ellenállás, ami nagyobb veszteségeket és az alkatrészek melegedését eredményezi. Ezek a PhotoMOS relék alkalmasak a mérőjelek gyors, kis áramokkal járó átkapcsolására, és nagyfrekvenciás jelek esetén kisebb visszaverődést/fáziseltolódást hoznak létre.

A korábban tárgyalt AQY2C1R6PX és AQY221R6TW relé a lassabban kapcsolt nagy teljesítményű jelek és nagyobb áramerősségű tápfeszültségek mérésére alkalmasabb. Miközben kisebb R_on nyitóirányú ellenállásuk kisebb alkatrészmelegedést okoz, nagyobb C_out kimeneti kapacitásuknak integráló hatása van a jelekre.

A jel torzításának minimálisra csökkentése

Csak egyszerű be- és kikapcsolást végző kapcsolóként (egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben nyitott érintkezőjű reléként) működő szilárdtestrelék (azaz félvezetős relék) például váltakozó áramú jelek esetén a fototriakok, illetve pulzáló egyenáramú jelek esetén a bipoláris tranzisztorokat használó optocsatolók. Ezek az eszközök a küszöbértékek, a gyújtófeszültségek és a kapcsolási késleltetések miatt a terhelőjel torzítását okozzák. Ezenkívül a záróirányú áramok harmonikus túllövéseket (lengéseket) és több 10 mA-től akár 100 mA-ig terjedő visszáramot hozhatnak létre.

A Panasonic PhotoMOS reléiben található FET-es félhíd a vezérlőáramkörrel közösen minimálisra csökkenti ezeket a jeltorzulásokat, ezért a PhotoMOS relék alkalmasak kis egyen- és váltakozó áramú jelek, például nagy sebességű ellenőrző impulzusok, mérőjelek és tápfeszültségek kis veszteségű kapcsolására. Kikapcsolt állapotban a két OUT (kimeneti) csatlakozó közötti visszáram 1 µA alatt van.

A PhotoMOS relék egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben nyitott érintkezőjű (SPST-NO (single pole, single throw, normally open) vagy amerikai megnevezéssel form A) vagy egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben zárt érintkezőjű (SPST-NC (single pole, single throw, normally closed) vagy amerikai megnevezéssel form B) relék formájában, valamint ugyanezek többfegyverzetű reléknek megfelelő változataiban kaphatóak. A tervezők az egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben nyitott érintkezőjű és egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben zárt érintkezőjű relék kombinálásával többpólusú, több áramkörös (amerikai megnevezéssel form C) reléket, például egypólusú, két áramkörös (SPDT, single pole, double throw) reléket, egypólusú váltókapcsolókat és kétpólusú, két áramkörös (DPDT, double pole, double throw) reléket alakíthatnak ki.

Az AQS225R2S egy négy egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben nyitott érintkezőjű PhotoMOS relét tartalmazó (4SPST-NO) eszköz SOP16 tokozásban, amely maximum 70 mA áramot képes kezelni 80 V kapcsolási feszültség mellett. Az AQW214SX egy két egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben nyitott érintkezőjű PhotoMOS relét tartalmazó (2SPST-NO) eszköz SOP8 tokozásban, amely maximum 80 mA terhelőáramot képes kezelni 400 V kapcsolási feszültség mellett.

A 4. ábra egy szilárdtestrelé, egy PhotoMOS relé és egy optocsatoló belső felépítését, valamint az ezek által okozott jellegzetes jeltorzulásokat mutatja. A PhotoMOS relék ohmos terhelések esetén nem vágják a jelet, és nem okoznak más hasonló torzulásokat sem.

4. ábra: A szilárdtestrelék és az optocsatolók a küszöbértékek és a gyújtófeszültségek miatt torzítják a kimenőjelet, míg a PhotoMOS relék torzítás nélkül kapcsolják az egyen- és váltakozó áramú jeleket is (ábra: Panasonic, a szerző által módosítva)

A kapcsolók kimenetén jelentkező induktív és kapacitív terhelések okozta visszacsatolások hatásának csillapítására és ezáltal a PhotoMOS relé kimeneti fokozatának védelmére a tervezőknek a kimeneti oldalon megfogó- és szabadonfutó diódákat, RC és LC szűrőket vagy varisztorokat kell használniuk. A CC sorozatban megfogódiódák védik a bemeneti oszcillátort a túlfeszültségcsúcsoktól, és a vezérlőjelet 3–5,5 V-ra korlátozzák, míg az RC szűrők arra szolgálnak, hogy ±0,5 V-nál kisebb legyen a visszamaradó búgófeszültség.

A visszáramok csökkentése

Amikor a relé nincs áram alatt, a PhotoMOS relék C_out kimeneti kapacitása váltakozó áramok és nagyobb frekvenciájú impulzussorozatok esetén söntölésként viselkedik. Az ilyen visszáramok jelentős csökkentése és a nagyfrekvenciás szigetelés lehető legnagyobbra növelése érdekében a Panasonic három T-szűrőként kapcsolt PhotoMOS relé használatát javasolja (5. ábra, balra). A fő jelútvonalban a két kis R_on nyitóirányú ellenállású egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben nyitott PhotoMOS relé (S1 és S2) található, míg rövidre (testre) záró kapcsolóként egy kis C_out kimeneti kapacitású egypólusú, egy áramkörös, alaphelyzetben nyitott PhotoMOS relé szolgál.

5. ábra: Amikor az S1 és S2 relé nincs áram alatt, az áram alá helyezett S3 relé rövidzárként működik, és az összes visszáramot a testre vezeti (a T-szűrő zárt (OFF) helyzetben, jobbra) (ábra: Panasonic, a szerző által módosítva)

A T-szűrő áram alatt (5. ábra, középen): Amikor az S1 és S2 relé áram alatt van, R_on nyitóirányú ellenállásuk minimálisan csillapítja a jelszintet, míg az árammentes S3 relé kis C_out kimeneti kapacitása némileg csillapítja a nagyobb frekvenciájú jeleket (aluláteresztő szűrő).

A T-szűrő árammentes állapotban (5. ábra, jobbra): Ha az S1 és S2 relé nincs áram alatt, akkor C_out kimeneti kapacitásuk révén a nagyfrekvenciák megkerülik ezeket a reléket (felüláteresztő szűrő), de az áram alatt lévő S3 relé rövidre (testre) zárja az S1 relén a kapacitás révén átjutó jeleket (szívóáramkör).

A T-szűrő nyitásának és zárásának (ON/OFF) időzítését kapcsolás előtt megszakító (BBM, break before make), azaz az egyik áramkört a másik zárása előtt megszakító kapcsolóként kell megvalósítani. Ennek megfelelően az S1 és S2 relét az S3 relé áram alá helyezése előtt kell áramtalanítani. A reléknél a kapcsolás előtt megszakítás azt jelenti, hogy az érintkezők külön-külön váltanak át egyik helyzetből a másikba, míg a megszakítás előtt kapcsolás (MBB, make before break) azt, hogy az egyik áramkör a másik megszakítása előtt zár.

A PhotoMOS relék gyorsabb kapcsolása

A PhotoMOS relé belső fényérzékelője napelemként működik, és biztosítja a kapu töltőáramát. Így ha a LED erősebb fényimpulzust ad ki, az növeli a kapcsolási sebességet. Például a 6. ábrán látható R1/R2/C1 utánhúzó kapcsolás nagyobb áramimpulzust állít elő.

6. ábra: Az R1/R2/C1 utánhúzó kapcsolás növeli a PhotoMOS relé kapcsolási sebességét (ábra: Panasonic)

A C1 a bekapcsolás pillanatában rövidzárként működik az R2 számára (áthidalja az R2-t), így az R1 kis ellenállása miatt nagy áram folyhat. Miután a C1 feltöltődött, és már nagy az ellenállása, az R2 értéke hozzáadódik az R1 értékéhez, ami a mágneses relékhez hasonlóan csökkenti a tartóáramot. Az AQV204 PhotoMOS relé kapcsolási ideje így 180 µs-ról 30 µs-ra csökken.

Összegzés

A kis méretű, kopásmentes PhotoMOS relék használatával a tervezők javíthatják az automatikus ellenőrző berendezések jelsűrűségét és mérési sebességét, miközben csökkenthetik a karbantartási igényeket. Ezenkívül az ajánlott tervezési módszerek használata segíthet a visszáramok és a kapcsolási idők minimálisra csökkentésében.