簡(jiǎn)介

由于人工智能 (AI)、5G、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和電動(dòng)汽車 (EV) 的快速發(fā)展，近年來(lái)對(duì)半導(dǎo)體測(cè)試儀和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE) 的需求持續(xù)增長(zhǎng)。這些行業(yè)的芯片越來(lái)越復(fù)雜，因此需要更強(qiáng)大、更精確的 ATE 來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備的電源時(shí)，隨著這些測(cè)試儀的復(fù)雜性不斷增加，通常會(huì)導(dǎo)致電流要求不斷提高，并需要考慮許多其他特殊注意事項(xiàng)。

選擇直流/直流轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常對(duì)噪聲和頻率有嚴(yán)格的要求，以避免影響設(shè)備的測(cè)量能力。同樣，許多測(cè)試儀使用高功率 FPGA，后者通常需要低紋波內(nèi)核電源軌。最重要的是，半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備追求盡可能高的功率密度和盡可能小的設(shè)計(jì)尺寸。本文介紹了使用降壓穩(wěn)壓器為半導(dǎo)體測(cè)試和 ATE 提供電源時(shí)所面臨的常見(jiàn)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

表 1 列出了推薦用于半導(dǎo)體測(cè)試和 ATE 電源設(shè)計(jì)的直流/直流降壓穩(wěn)壓器，其中包括具有外部頻率同步功能的模塊（集成電感器）和轉(zhuǎn)換器（集成 FET、獨(dú)立電感器）。

表 1. 半導(dǎo)體測(cè)試和 ATE 電源管理器件

利用模塊設(shè)計(jì)減小尺寸

為了簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)并更大限度地減小 PCB 尺寸，請(qǐng)使用降壓模塊而不是降壓轉(zhuǎn)換器。以TPSM843620 和轉(zhuǎn)換器版本 TPS543620為例：測(cè)得的 TPS543620 轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)總尺寸約為 100.8mm2，而測(cè)得的 TPSM843620 模塊電路設(shè)計(jì)僅為 66mm2，尺寸減小了 44%。圖 1 展示了尺寸減小情況。TPS543620 和 TPSM843620 的 PCB 設(shè)計(jì)尺寸均根據(jù)數(shù)據(jù)表中針對(duì)相同應(yīng)用的建議進(jìn)行選擇。

圖 1. TPS543620 和 TPSM843620 之間的

PCB 尺寸比較

電源挑戰(zhàn)— 功率密度

對(duì)于 ATE 電源設(shè)計(jì)，隨著功率需求增加，電路板面積和 Z 高度通常是限制因素。因此，通常會(huì)為負(fù)載點(diǎn)設(shè)計(jì)選擇電源模塊，因?yàn)檫@些模塊可實(shí)現(xiàn)盡可能小的 X-Y 尺寸。

TI 的新型 TPSM843B22 降壓模塊是一款支持電源設(shè)計(jì)人員優(yōu)化功率密度設(shè)計(jì)的器件。該器件采用 6.5mm × 7.5mm 封裝，提供 20A 電流，并具有蝶形布局。當(dāng)與集成電感器結(jié)合使用時(shí)，該布局可實(shí)現(xiàn) 212mm2的優(yōu)化對(duì)稱布局并采用僅 4mm 高的超模壓封裝，如圖 2 所示。圖 3 展示了該器件的示例 PCB 布局的對(duì)稱性質(zhì)。借助這種對(duì)稱設(shè)計(jì)，能夠以最低的成本實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更佳的熱性能。

圖 2. 超模壓 TPSM843B22 封裝

圖 3. TPSM843B22 示例 PCB 布局

電源挑戰(zhàn)—低噪聲排放

半導(dǎo)體測(cè)試儀中使用的許多 ADC、DAC 和 AFE 都需要具有極低電壓紋波或 1/f 噪聲水平的負(fù)載點(diǎn) (PoL) 電源。過(guò)去，設(shè)計(jì)人員使用直流/直流轉(zhuǎn)換器降低電壓，然后使用 LDO 對(duì) PoL 電源進(jìn)行平滑處理，從而解決了該問(wèn)題。這種方法的問(wèn)題在于，添加 LDO 會(huì)增加所需的布板空間，并導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率降低。

借助 TPSM8291x 系列器件，設(shè)計(jì)人員能夠完全放棄 LDO，而僅使用降壓模塊，從而在不犧牲效率的情況下實(shí)現(xiàn)出色的功率密度和噪聲性能。

該器件的控制器設(shè)計(jì)為在 100Hz 至 100kHz 范圍內(nèi) 1/f 噪聲規(guī)格小于 20μVRMS。這樣低頻噪聲和所有相關(guān)諧波就不會(huì)影響 PoL 電壓。1/f 噪聲的衰減可以通過(guò)調(diào)整連接到 NR/SS 引腳的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。TPSM8291x 系列還具有集成環(huán)路補(bǔ)償功能，允許設(shè)計(jì)人員添加第二級(jí) L-C 濾波器。這使得能夠在反饋環(huán)路內(nèi)添加鐵氧體磁珠，從而將輸出紋波降低至 < 10μVRMS。這項(xiàng)功能非常實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)非常安靜的 PoL 電源軌。

該器件還支持可選的展頻調(diào)制。雖然一些測(cè)試儀追求頻率信號(hào)的可預(yù)測(cè)性和一致性，但展頻功能的頻率隨機(jī)化使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)?EMI 和電壓紋波分散到更寬的頻帶上，從而降低紋波或 EMI 信號(hào)中的任何峰值。圖 4 展示了展頻對(duì) VOUT紋波快速傅里葉變換(FFT) 的影響。圖 5 展示了鐵氧體磁珠能夠放置在基于集成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的反饋環(huán)路內(nèi)的位置。

圖 4. TPSM82913 12VIN 至 3.3VOUT、1A、2.2MHz 時(shí)的 VOUT 紋波 FFT

圖 5. 采用集成式鐵氧體磁珠濾波器補(bǔ)償?shù)?/p>

典型 TPSM82913 應(yīng)用

電源挑戰(zhàn)—效率

效率也是 ATE 電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。使用效率較差的降壓設(shè)計(jì)會(huì)消耗過(guò)多的能量，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)熱問(wèn)題。

TI 的新型 TPSM843620是一款高效的 6A 降壓模塊，輸入電壓范圍為 4V 至 18V，輸出電壓范圍為 0.5V至 5.5V，輸出電流為 6A，并且封裝尺寸較小 (3.5mm× 3.5mm× 1.6mm)。如圖 6 所示，該器件在以 1MHz 開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行 12V 到 3.3V 的轉(zhuǎn)換時(shí)，可實(shí)現(xiàn)約 92% 的效率。

圖 6. TPSM843620 在 12VIN 時(shí)的效率

電源挑戰(zhàn)—監(jiān)測(cè)電源參數(shù)

為了進(jìn)行監(jiān)控或簡(jiǎn)化調(diào)試，有時(shí)在 ATE 電源設(shè)計(jì)中首選具有 PMBus 等數(shù)字接口的降壓穩(wěn)壓器，尤其是用于更高電流的電源軌時(shí)。通過(guò)將降壓穩(wěn)壓器與帶有遙測(cè)功能的 PMBus 接口搭配使用，可以輕松監(jiān)控實(shí)時(shí)輸出電壓并進(jìn)行高精度電壓調(diào)節(jié)。

圖形用戶界面 (GUI) 可以監(jiān)控溫度和輸出電流等各種參數(shù)，并可針對(duì)過(guò)警告和過(guò)故障設(shè)置不同的響應(yīng)。該工具可在 Fusion Digital Power Designer 工具頁(yè)面中找到。圖 7 展示了可在其中更改規(guī)格和修改直流/直流穩(wěn)壓器的 GUI 屏幕。

圖 7. 監(jiān)視器屏幕

因此，即使相關(guān)的 FPGA 不使用 PMBus 與直流/直流模塊進(jìn)行通信，PMBus 也是一個(gè)很有吸引力的選項(xiàng)。設(shè)計(jì)人員無(wú)需調(diào)整無(wú)源器件，即可在原型設(shè)計(jì)和測(cè)試階段通過(guò)數(shù)字方式更改參數(shù)，并在最終生成電路板時(shí)通過(guò)引腳配件來(lái)將所有外部無(wú)源器件設(shè)置為控制運(yùn)行。這可以在原型設(shè)計(jì)過(guò)程中節(jié)省大量焊接時(shí)間和麻煩，從而在開(kāi)發(fā)過(guò)程中節(jié)省時(shí)間和成本。

TPSM8S6C24是 TI 的新款 35A 降壓模塊，具有 PMBus 和遙測(cè)功能以及擴(kuò)展安全功能，輸入電壓范圍為 2.95V至 16V，輸出電壓為 0.5V 至 3.6V。擴(kuò)展安全功能通過(guò)提供寫(xiě)入鎖定保護(hù)來(lái)盡可能地減少錯(cuò)誤或惡意寫(xiě)入命令的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)需重新設(shè)計(jì)硬件，只需少量固件修改即可實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì) ATE 電源需要考慮設(shè)計(jì)尺寸、噪聲排放、效率和電源參數(shù)監(jiān)測(cè)。TI 提供廣泛的降壓模塊和轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品系列，能夠有效解決從 3A 到 140A 負(fù)載電流要求的各種電源設(shè)計(jì)難題。