提高通用IC測試系統瞬態大電流測試可靠性的研究

劉汝剛,孫曦東

提高通用IC測試系統瞬態大電流測試可靠性的研究

劉汝剛,孫曦東

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

對瞬態大電流的參數進行測試，實質上就是測試橋式驅動集成電路的MOSFET短路電流持續時間?，F有的測試手段無法在IC測試系統上實現可靠的全參數測試。鑒于此，以現有的IC測試系統為平臺，特別是依托國產IC測試系統，嘗試解決瞬態大電流參數測試結果的可靠性問題，實現橋式驅動集成電路自動化、全參數的測試，最終提高集成電路測試結果的準確性和可靠性。

VMOS工藝；驅動；測試；J750測試系統；數字波形；絕緣柵雙極晶體管

1 引 言

功率VMOS器件和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）器件的應用目前十分廣泛，在很多場合下，需要用VMOS器件或IGBT器件來組成橋式電路，例如開關電源半橋變換器或全橋變換器、直流無刷電機的橋式驅動電路、步進電機驅動電路以及逆變器的逆變電路等等。針對這些應用而開發的橋式驅動集成電路芯片多種多樣。由于該類電路對功率器件有控制上的要求，因此在實際設計中，電路短路保護時間是保證可靠性的一項重要參數。

2 目前通用測試系統的使用情況

以IR（International Rectifier）公司的橋式驅動集成電路IR2110電路為例，其輸出腳短路保護時間為10μs，短路電流典型值為2.5A，高電平為15V，如圖1所示。

圖1 IR2110手冊中的短路脈沖電流參數

國外廠商Teradyne公司的J750系列、Flex系列，Advantest公司的 93K和國內華峰測控的STS8205，雖然在源的負載能力上能滿足這么大的電流的要求，但對該電路的短路脈沖電流參數測試主要面臨著如下問題：

（1）IC測試系統無法直接提供精確的10μs、15VPP的激勵信號；

（2）由于短路脈沖輸出電流從0A直接跳躍到2.5A，受電流過沖和測試機功率源采樣頻率的限制，無法采到可靠的值。

目前的通用IC測試系統，無法進行精確的瞬態大電流測試。業界測試這一參數的通用做法是電路信號輸入端外接信號源或放大電路，來提供10μs，15V的驅動脈寬，并且在輸出端連接負載電阻或者霍爾器件來測試短路瞬態大電流[1-3]。但該測試方法存在如下幾個問題：

（1）由于有外接設備，需要解決外接設備與測試系統的同步測試問題；

（2）每次測試時，都需要連接調試外接設備，設備與系統之間不可避免會產生干擾；

（3）影響電路批量生產中的自動化測試和數據采集；

（4）計量與校準需要分別進行，跳過了測量回路中的不確定度，不能考慮連接之后回路引起的附加誤差；

（5）由于行業內所用外接測試設備型號規格各

圖2 STS8205測試系統功率源FPVI10采樣結果波形圖

STS8205測試系統在10μs內采樣5次，并對結果求平均值，得到最終測試值，由圖可見，示波器的采集波形能比較完整地反映測試結果[4]。而STS8205的采樣結果誤差很大。但從示波器圖形上也可看出，高電平波形受電流過沖影響，后半段比較穩定，大約為125mV左右，由電阻值50mΩ可計算出所測值為2.5A，符合IR2110樣品的該參數的典型值2.5A。而測試機所測值約為2.72A，超出典型值2.5A的8.8%。不相同，對溯源的要求無法做到全面準確，缺乏校準的廣泛性，這也影響了國內行業標準的制定和推廣。瞬態大電流參數測試實質上是測試橋式驅動集成電路中的MOSFET短路電流持續時間。因此，在現有測試手段基礎上，以現有IC測試系統為平臺，解決IC芯片瞬態大電流參數測試結果的可靠性問題，實現橋式驅動集成電路的自動化全參數測試，提升該電路測試結果的準確性和可靠性，顯得十分必要。

目前，在各種測試平臺上針對瞬態大電流參數的測試手段，僅是通過信號輸入端簡單搭建MOSFET、電平轉換、反相器、比較器等電路來提升激勵信號輸出幅度，但主要是用于更低激勵信號電壓，且對時序要求不是很嚴格的情況。

輸出電流采樣的實現方案基于現有測試系統對A/D電路靜態參數的測試手段，也基于數字示波器的采樣原理。以下方案是選取1只IR2110電路，分別用STS8205測試系統功率源FPVI10和示波器對輸出脈沖電流進行采樣。用示波器采樣時，輸出電流端串接50mΩ電阻到地，用探頭采集電阻上的電壓。如圖2、圖3所示。

圖3 示波器采樣結果波形圖

3 技術實現

主要有以下兩點考慮：

（1）提升通用IC測試系統的激勵信號幅度，解決信號的輸出瓶頸問題。

由于激勵信號的脈寬最小值擬達到2μs，為了追求最小的失真度并能保持同步測量采樣輸出電流，須采用放大電路來提升幅度。所需解決的技術難點為：放大電路的電源抑制能力設計、較小的輸出抖動、諧波失真度要小。

（2）提高瞬態（最小時間為2μs）大電流輸出的采樣頻率，保證測試結果精確可靠。

為此，將大電流輸出腳對地串接精密小電阻，并用高速A/D電路對小電阻兩端電壓值進行實時數據采集，對采集結果進行分析，剔除掉電壓過沖或其他干擾導致前后變化過大的數據，保留積分非線性誤差或差分非線性誤差合理范圍內的數值，最終計算出所測電流值。所需解決技術難點為：采集端口的抗噪設計、數據實時采集技術、數據處理算法。

通過表1可知，STS8205A和UltraFlex測試系統激勵信號電平幅度無法滿足15V的要求。Ultra-Flex測試系統無大電流采樣功能，僅能以10μs間隔采樣小電流，而STS8205A測試系統也無法實現精確采樣（見圖2）[5]。但是，改進后的STS8205A測試系統采樣頻率是100ns，提升為原來的20倍。上述方案實現的功能指標領先于其他測試系統。

目前，中國電科47所設計生產的LC2110型、LC2113、LC2118型等系列驅動電路已處于產品推廣階段，上述電路短路脈沖電流的脈寬都為10μs，輸出短路電流最大為2.5A。該系列驅動電路主要應用于逆變電源、變頻技術、電力電子等相關領域，在軍事方面得到廣泛應用。其中功率MOSFET以及相關的驅動電路的設計直接與電路的可靠性緊密相關，如MOSFET的驅動電路設計不當，MOSFET會很容易損壞，因此，實現該電路短路脈沖電流這一關鍵參數在IC測試系統上的測試，能為其他功率MOSFET電路短路保護時間設計提供分析依據，提高產品設計可靠性，同時也實現了該系列電路在IC測試系統上的全參數測試，極大提高量產的測試效率，產生了預期的經濟與社會效益。

表1 .STS8205A和UltraFlex測試系統相關資源技術指標

4 關鍵技術和難點

4.1 信號輸入端放大電路設計技術

IC測試系統無法直接提供精確的10μs、15VPP的激勵信號。業界測試這一參數的通用做法是電路信號輸入端外接信號源或放大電路，來提供10μs、15V的驅動脈寬[6]。

要解決這個問題，可將STS8205測試系統數字通道提供的激勵信號通過各自的放大電路來驅動被測集成電路芯片。難點在于放大電路的電源抑制能力設計，以及如何實現較小的輸出抖動和小的諧波失真度。

4.2 電流輸出端高速A/D數據采集技術

由于短路脈沖輸出電流要從0A直接跳躍到2.5A，受電流過沖和測試機功率源采樣頻率的限制，無法采到可靠的值。目前的通用IC測試系統，只能進行低壓瞬態小電流測試,無法進行精確的瞬態大電流測試。業界測試這一參數的通用做法是輸出端連接負載電阻或者霍爾器件來測試短路瞬態大電流[7]。

解決途徑：繞過IC測試系統源的采樣能力不足的問題，通過高速A/D電路來進行電平數據采集，得到所測電流值。難點在于采集端口的抗噪設計，數據實時采集能力，以及軟件編程算法。

5 解決方案與技術路線

本項目的詳細技術路線為，使用矢量軟件，根據電路手冊提供的信號時序編寫后綴為.vec的激勵圖形矢量表。所謂激勵圖形是指由集成電路工作時在各個時鐘周期的激勵向量組成的一個序列，而激勵向量指的是由用二進制表示的電路輸入引腳值組成的一組數。測試系統為每個激勵圖形分配一個唯一的索引作為標識，同時根據時序圖把激勵圖形分組，并為各組分配相應的分組索引；然后計算機把激勵圖形以文本形式輸入到測試系統中；測試系統根據輸入的激勵圖形文件以循環工作的模式反復產生相應的激勵信號，再通過各自的放大電路來驅動被測集成電路芯片，如圖4。

圖4 電路輸入端激勵信號生成

在輸出電流采集端，以激勵信號上升沿90%的高電平或輸出下降沿10%的低電平作為觸發值，來啟動高速A/D電路的數據采集，采集串接在電路電流輸出端到地的精密電阻兩端的電壓值，通過A/D轉換得到數字端口的輸出結果存入失效存儲器里，通過矢量軟件轉換為二進制值，并保存在CSV文件里，便于數據分析。同時通過編程算法提取出積分非線性誤差和差分非線性誤差合理范圍內的數值，計算出模擬量電壓值，再求平均數，得到所測電流值，如圖5。

圖5 電路輸出端測試結果生成

5.1 具體研究方案實施

（1）選取帶寬、壓擺率、放大能力滿足所需激勵信號要求的放大電路來進行輸入信號板級設計。

（2）以滿足輸出采樣要求的精密電阻和高速A/D芯片為基礎，來進行數據采集板的設計。

（3）進行數據采集的編程算法研究。

（4）校準方案設計。

（5）測試負載板設計，對瞬態大電流參數進行測試驗證。

5.2 自動化測試方案

5.2.1 激勵信號端

放大主模塊電路選用OPA2810，其具有70MHz增益帶寬，兼具120MHz小信號帶寬，180V/μs壓擺率，低噪聲，軌對軌輸出，失真度低，為-95/-95dBc HD2/3@2VPP,1MHz，100dB的高電源抑制比，完全符合選型要求。連接示意圖如圖6。

圖6 激勵信號放大電路示意圖

5.2.2 數據采集端

采用NI PCI-6224多功能數據采集（DAQ）板卡，適用于需要控制成本的應用。也可考慮具有5倍采樣速率或具有4倍分辨率和出眾測量精度的高精度設備。NI PCI-6224的一些高級特色，如NI-STC 2系統控制器、NI-PGIA 2可編程放大器和NI-MCal校準技術，都對提高性能和精度有利[8-10]。其硬件參數如表2。

表2 NI PCI-6224技術指標

對NI PCI-6224來說，為了將數據采集結果反饋到STS8205A測試系統上，需要在測試系統底層修改Create_AWG_Data(void)子程序，預先把需要接收的采集數據加載到AWG模塊內部的失效存儲器上。

數據處理方法采用碼密度直方圖法，其基于數理統計論，對模擬輸入信號進行隨機采樣，不同數字碼輸出的出現次數即為碼密度。以輸出數字碼及其出現次數為坐標畫圖，所得圖像稱為直方圖，見圖7。在圖中，每個數字碼稱為碼箱（Code Bin），每個數字碼出現的次數稱為碼箱寬度。根據碼密度數據，可以估算出被采集數據的分布特點。通過設置合理的非線性度，在實際采樣波形上選擇接近真實結果、趨于合理的數據段，計算采樣平均值，最后得出合理的測試結果。

6 結束語

通過在國產化的STS8205混合電路測試系統上實現瞬態（最小時間為2μs）大電流測試方法，來提升橋式驅動電路瞬態脈沖電流參數測試結果的可靠性，并實現橋式驅動電路的自動化全參數測試，提高測試效率，提升目前業界對該類電路測試結果的可靠性。同時也克服了國產測試系統STS8205的測試瓶頸，易于推廣到其他底層編程開放式的測試系統上。

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Study on Reliability Improvement of Transient Large Current Test for General IC Test System

Liu Rugang,Sun Xidong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

Parameter test of transient high current is actually testing the duration time of MOSFET short-circuit current of bridge driver IC.Present test methods cannot realize the reliable all parameters tests on the basis of IC test system.Given this,a attempt is done to solve the transient high current testing results reliability problem based on present IC test system as a platform,especially relying on domestic IC test system to realize IC automated and all parameter testing,and finally to enhance the accuracy and reliability of IC test results.

VMOSprocess；Driver；Test;J750;Digital waveform;IGBT

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.006

B

1002-2279-（2017）06-0025-05

劉汝剛(1980—)，男，遼寧省沈陽市人，工程師，主研方向：半導體微細加工及測試。

2017-11-06