CN110196613B - 一种用于集成电路测试系统中dut的供电电源装置 - Google Patents

一种用于集成电路测试系统中dut的供电电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置，PC上位机根据集成电路测试系统的需要设置系统的预置输出值，并发送给控制器MCU，控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值，从而控制集成电路测试系统运行；当控制集成电路测试系统运行时，电压/电流采样电路采集电压、电流值，并反馈给控制器MCU，控制器MCU通过内置的反馈控制算法对预置输出值和采样值的偏差值进行处理，进而通过偏差值控制BUCK/BOOST斩波电路的输出电压，从而实现对输出电源精度的控制调节，降低功率放大器的功率耗散，提高功率放大器负载驱动能力。

Description

一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置
技术领域
本发明属于电子测量仪器与集成电路测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置。
背景技术
电源作为军民科研和生产测试的基础性设备，广泛应用于电力电子信息产业。随着科技的发展，科研和生产测试对于电源提出了更多的要求。
特别地，随着超大规模集成电路的发展，在集成电路测试系统中，要求集成电路测试系统中被测器件DUT的供电电源具有大功率、高精度、高稳定性、低成本和小体积。本发明针对当前科研和生产测试中对电源的需求，特别是集成电路测试系统对DUT供电电源的需求，设计了一种新型数控直流电源，应用于集成电路测试系统中，作为DUT的供电电源。
传统数控直流电源设计方案如图1所示，MCU控制器根据上位机预置数据，控制功率放大调节电路的输出，并将输出的电压/电流采集后送回MCU。MCU比对采集电压/电流和预置值后调节功率放大电路的输出。这种传统的数控直流电源不能动态改善功率放大器工作时的功率耗散，例如:功率放大器供电电源为30V，输出为5V/2A时，功率放大器自身耗散的功率会超过允许的最大耗散功率，导致其结温超过最大结温而烧毁。因此，本发明在此基础上，，通过动态调节功率放大器供电电源，可以改善功率放大器输出电压/电流精度，同时最大限度地降低功率放大器的功率耗散。极大地提高了其输出驱动/带负载能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置，以新型数控直流电源作为DUT的供电电源，从而解决传统数控直流电源中功率放大器耗散功率太大的问题，并极大地提高了功率放大器输出驱动/带负载能力。
为实现上述发明目的，本发明一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置，其特征在于，包括：
PC上位机，根据集成电路测试系统中DUT的需要，设置系统的预置输出值，还通过RS232总线向控制器MCU发送相应的控制指令；
控制器MCU，转发PC上位机发送的控制指令给装置中对应的电路，并根据系统的预置输出值控制装置运行；
此外，控制器MCU还接收电压/电流采样电路的采样值，再根据内置的反馈控制算法比对预置输出值和采样值，根据预置输出值与采样值的差值控制DAC的输入及BUCK/BOOST斩波电路的输出电压，从而实现对输出电源精度的控制调节；
隔离升降压电路，包括DC/DC或LDO电源转换模块和BUCK/BOOST斩波电路；其中，BUCK/BOOST斩波电路为装置中的功率放大器供电，DC/DC或LDO电源转换模块为装置中其余模块供电；
控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值；当隔离升降压电路接收到控制器MCU转发的升压或降压指令时，BUCK/BOOST斩波电路进行相应的升压或降压处理，从而动态调节功率放大器供电电源的大小；
功率放大电路，包括DAC、调理滤波电路和功率放大器；DAC接收控制器MCU发送的预置输出电压值并进行数模转换，再经过调理滤波电路滤波处理后输入至功率放大器，功率放大器输出放大后的电压值为被测器件DUT供电；
电压/电流采样电路，包括ADC、调理滤波电路、电压采样模块和电流采样模块；电压采样模块采集输出端被测器件DUT接入点的电压信号，电流采样模块采集功放输出端的电流值，将采集的电压、电流经过调理滤波电路滤波处理后输入至ADC，ADC对滤波后的电压、电流信号进行模数转换，再输入至控制器MCU；
系统工作原理为：PC上位机根据集成电路测试系统的需要设置系统的预置输出值，并发送给控制器MCU，控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值，从而控制装置运行；
当装置运行时，电压/电流采样电路采集电压、电流值，并反馈给控制器MCU，控制器MCU通过内置的反馈控制算法对预置输出值和采样值的差值进行处理，进而通过差值控制BUCK/BOOST斩波电路的输出电压，从而实现对输出电源精度的控制调节。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置，PC上位机根据集成电路测试系统的需要设置系统的预置输出值，并发送给控制器MCU，控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值，从而控制集成电路测试系统运行；当控制集成电路测试系统运行时，电压/电流采样电路采集电压、电流值，并反馈给控制器MCU，控制器MCU通过内置的反馈控制算法对预置输出值和采样值的偏差值进行处理，进而通过偏差值控制BUCK/BOOST斩波电路的输出电压，从而实现对输出电源精度的控制调节，降低功率放大器的功率耗散，提高功率放大器负载驱动能力。
附图说明
图1是传统数控直流电源原理图；
图2是本发明一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置原理图；
图3是本发明一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置一种具体实施方式结构图；
图4是电压分档采集电路示意图；
图5是电流分档采集电路示意图；
图6是功率放大示意图；
图7是功率放大电路电源控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
DUT(Device Under Test):被测器件；
MCU(Microprogrammed Control Unit)：微控制器；
BUCK/BOOST：降压/升压；
图2是本发明一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置原理图。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置，包括：PC上位机、控制器MCU、隔离升降压电路、功率放大电路和电压/电流采样电路；从控制器MCU经功率放大电路输出电压/电流，再经过电压/电流采样电路采样，并反馈给控制器MCU，从而形成一个负反馈回路。
图3是本发明一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置一种具体实施方式结构图。
如图3所示，PC上位机根据集成电路测试系统中DUT的需要，设置系统的预置输出值(包括预置的电压值和电流值)，还通过RS232总线向控制器MCU发送相应的控制指令。
控制器MCU转发PC上位机发送的控制指令给装置中对应的电路，并根据系统的预置输出值控制装置运行；
此外，控制器MCU还接收电压/电流采样电路的采样值，再根据内置的反馈控制算法比对预置输出值和采样值，根据预置输出值与采样值的差值控制DAC的输入及BUCK/BOOST斩波电路的输出电压；
反馈控制算法处理的过程为：
计算预置输出值减去采集值的差值，如果差值为正，表明功率放大器实际输出电压值比预置输出值小，则增大控制器MCU发送给DAC的值，同时控制器MCU增大斩波电路中PWM波的占空比，从而增大BUCK/BOOST斩波电路的输出电压值；
如果差值为负，表明功率放大器实际输出电压值比预置输出值大，则减小控制器MCU发送给DAC的值，同时控制器MCU减小斩波电路中PWM波的占空比，从而减小BUCK/BOOST斩波电路的输出电压值；
在本实施例中，比如：预置输出为5V，而最大电流为2A，那么此时可控制斩波电路，使其输出电压为8V。如果预置输出电压为10V，最大电流为2A，那么此时可控制斩波电路，使其输出电压为13V。这样通过减小功率放大器电源电压和输出电压的差值以降低功率放大器的功率耗散，减小功率耗散(以发热的形式耗散)，从而减小功率放大器的结温。
此外，为提高系统输出电源响应速度，反馈回路中调理滤波电路中的电容值不宜太大，根据系统噪声的频率分布特性，设计合适拓扑结构的滤波电路。综上，通过反馈控制的方式能够实现对输出电源精度的控制调节，降低功率放大器的功率耗散，提高功率放大器负载驱动能力。
隔离升降压电路，包括DC/DC或LDO电源转换模块和BUCK/BOOST斩波电路；其中，BUCK/BOOST斩波电路为装置中的功率放大器供电，DC/DC或LDO电源转换模块为装置中其余模块供电；
控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值；当隔离升降压电路接收到控制器MCU转发的升压或降压指令时，BUCK/BOOST斩波电路进行相应的升压或降压处理，从而动态调节功率放大器供电电源的大小；
功率放大电路，包括DAC、调理滤波电路和功率放大器；DAC接收控制器MCU发送的预置输出电压值并进行数模转换，再经过调理滤波电路滤波处理后输入至功率放大器，功率放大器输出放大后的电压值为被测器件DUT供电；
电压/电流采样电路，包括ADC、调理滤波电路、电压采样模块和电流采样模块；电压采样模块采集输出端被测器件DUT接入点的电压信号，电流采样模块采集功放输出端的电流值，将采集的电压、电流经过调理滤波电路滤波处理后输入至ADC，ADC对滤波后的电压、电流信号进行模数转换，再输入至控制器MCU；
系统工作原理为：PC上位机根据集成电路测试系统的需要设置系统的预置输出值，并发送给控制器MCU，控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值，从而控制装置运行；
当装置运行时，电压/电流采样电路采集电压、电流值，并反馈给控制器MCU，控制器MCU通过内置的反馈控制算法对预置输出值和采样值的偏差值进行处理，进而通过偏差值控制BUCK/BOOST斩波电路的输出电压，从而实现对输出电源精度的控制调节。
在本实施例中，为提高装置输出电源精度与分辨率，图3所示系统设计方案中选用的DAC和ADC应满足设计要求。例如：实现装置输出电压范围为-35—+35V，输出电压精度为±(0.1％U+20mV)，选用DAC为16位分辨率的DAC8501,在参考电压设置为5V时，其输出电压精度为：
Figure BDA0002075176110000061
在此方案中实际使用时DAC8501的有效位数为14位，参考电压为5V。故此DAC的精度为：
Figure BDA0002075176110000062
选用的DAC可以满足设计精度要求。选用ADC为双通道16位、采样速率最高可达1MSPS的AD7903。在本方案中使用时其信噪比(SNR)为94dB，信纳比(SINAD)为93.5d，有效位数：ENOB＝(SINAD-1.76)/6.02，故有效位数为15，。参考电压为5V，其精度为
Figure BDA0002075176110000063
因此所选用的ADC也能满足精度要求。
在电压/电流采样电路中，为满足ADC输入范围要求，需在ADC前端驱动电路中设计合适的衰减/放大电路，实现分档位采集输出电压/电流。
如图4所示，考虑到输出电压范围较大时，采用分档采集的方式对输出电压采样。图中系统输出电源经过上端电阻R与下端电阻到地分压，通过模拟开关切换选择下端电阻来改变采样档位。采样电压经过仪表运放电压跟随后送入ADC采集电路。为提高采样精度，采样电路中应选用精密采样电阻，且运放选用高共模抑制比的仪表运放。同时采样电路中分压电阻阻值选择千欧姆级，减小对负载的影响。
如图5所示，为提高电流采集精度，同样采用分档采集的方式对输出电流采样。通过模拟开关切换采样电阻来改变采样档位。采样电阻选用大功率精密采样电阻，阻值可以选择毫欧姆级。电流采集电路中采样电阻Ri串联在通道输出电路中。对输出电流I采集时，取采样电阻Ri两端电压值，经过差分比例运算电路后将输出电流I转换为电压值U送入ADC采集电路。设该差分比例运算电路放大系数为K，则有U＝K*Ri*I，即U随I成正比例变化。所以只要测出电压U的值，便可知电流I的大小。为提高测量精度，选择高共模抑制比仪表运算放大器。同时考虑到匹配电阻对共模抑制比(CMRR)的影响，在差分比例运算电路中应使得仪表放大器同向反向输入端输入电阻R和反馈电阻Rf阻值相等。
结温是电子元器件中实际半导体芯片(晶圆、裸片)的最高温度。它通常高于器件外壳温度和表面温度。结温可以衡量从半导体晶圆到封装器件外壳间的散热所需时间以及热阻。最高结温是一个半导体器件的关键参数，一般半导体器件的datasheet数据表中会给出最高结温，这可以用来计算在给定功耗下器件外壳至环境的热阻。这可以用来选定合适的散热装置。如果器件工作温度超过最高结温，器件中的晶体管就可能会被破坏，器件也随即失效，所以应采取各种途径降低结温或是让结温产生的热量尽快散发至环境中。一个半导体器件的结温估计值Tj可以表示为：
Tj＝Ta+(RθJA×PD)
其中：Ta为封装的环境温度(°℃)，RθJA为P-N结至环境的热阻(°℃/W)，PD为器件的功耗(W)。
图6为一典型功率放大示意图，电压输入(Ui)到运放同向输入端,由虚短虚断分析可得输出电压：
Figure BDA0002075176110000071
通过设置R1、R2参数设定功率放大倍数。功率放大器输出功率较大，功率损耗和发热严重，因此在功率放大电路中，必须要考虑到对功率放大器功率损耗和结温的控制。特别是在输出宽范围电压及大电流时，这一问题尤其严重。
对于本发明中所设计的功率放大电路，以德州仪器TI公司的OPA541功率放大器为例，其供电电源可达±40V，输出电压范围可达±35V，峰值电流可达10A，连续电流可达5A。如下表1所示为其结温信息，从表中可知其最大结温为150℃，热阻RθJA为21.5°℃/W。
Figure BDA0002075176110000081
表1
假设该功率放大器电源电压为±40V，输出电压为35V，输出电流为1A时，对应器件功耗PD为：P＝UI＝(40-35)*1＝5W，环境温度为25°℃，没有加额外的散热措施时，热阻RθJA为21.5°℃/W。则此时结温为：
Tj＝Ta+(RθJA×PD)＝25+21.5*5＝132.5℃
已经很接近OPA541手册给出的最大结温为150℃，如果此时输出电压20V，电流1A，则远远超过了OPA541的最大结温，即使此时增加普通散热措施，也难以使其工作温度小于它的最大结温。因此，当输出宽范围电压，大电流时，单纯地增加散热措施或者降低环境温度都是不可靠的。
本发明为解决功率放大器输出宽范围电压的同时输出大电流，提出了根据输出电压动态改变功率放大器的供电电压的方法。具体方案如下：
如图7所示，系统电源输入经过BUCK/BOOST斩波电路后，转换电压作为功率放大器供电电源。斩波电路输出电压大小通过PWM波占空比来调节。控制器MCU根据功率放大器输出电压大小动态调节BUCK/BOOST斩波电路的控制信号PWM波的占空比。这样可以减小功率放大器工作时功率损耗PD，从而减小功率耗散引起的热量，使得功率放大器的工作温度始终小于其最大结温。例如：系统输入24V电源，调节BUCK/BOOST斩波电路中PWM波占空比，使得功率放大电路供电电压为0-40V可调节。当功率放大器输出35V电压时，使其供电电压为38V，当功率放大器输出5V电压时，使其供电电压为8V。此时再结合其它散热措施，可使得系统输出宽范围电压、大电流电源。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种用于集成电路测试系统中DUT的供电电源装置，其特征在于，包括：
PC上位机，根据集成电路测试系统中DUT的需要，设置系统的预置输出值，包括预置的电压值和电流值；还通过RS232总线向控制器MCU发送相应的控制指令；
控制器MCU，转发PC上位机发送的控制指令给装置中对应的电路，并根据系统的预置输出值控制装置运行；
此外，控制器MCU还接收电压/电流采样电路的采样值，再根据内置的反馈控制算法比对预置输出值和采样值，根据预置输出值与采样值的差值控制DAC的输入及BUCK/BOOST斩波电路的输出电压，从而实现对输出电源精度的控制调节；
隔离升降压电路，包括DC/DC或LDO电源转换模块和BUCK/BOOST斩波电路；其中，BUCK/BOOST斩波电路为装置中的功率放大器供电，而控制器MCU根据功率放大器输出电压大小动态调节BUCK/BOOST斩波电路的控制信号PWM波的占空比，从而减小功率放大器工作时功率损耗PD，进而减小功率耗散引起的热量，使得功率放大器的工作温度始终小于其最大结温；DC/DC或LDO电源转换模块为装置中其余模块供电；
控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值；当隔离升降压电路接收到控制器MCU转发的升压或降压指令时，BUCK/BOOST斩波电路进行相应的升压或降压处理，从而动态调节功率放大器供电电源的大小；
功率放大电路，包括DAC、调理滤波电路和功率放大器；DAC接收控制器MCU发送的预置输出电压值并进行数模转换，再经过调理滤波电路滤波处理后输入至功率放大器，功率放大器输出放大后的电压值为被测器件DUT供电；
电压/电流采样电路，包括ADC、调理滤波电路、电压采样模块和电流采样模块；电压采样模块采集输出端被测器件DUT接入点的电压信号，电流采样模块采集功放输出端的电流值，将采集的电压、电流经过调理滤波电路滤波处理后输入至ADC，ADC对滤波后的电压、电流信号进行模数转换，再输入至控制器MCU；
系统工作原理为：PC上位机根据集成电路测试系统的需要设置系统的预置输出值，并发送给控制器MCU，从控制器MCU经功率放大电路输出电压/电流，再经过电压/电流采样电路采样，并反馈给控制器MCU，从而形成一个负反馈回路，控制器MCU根据系统的预置输出值控制斩波电路为功率放大器输出相应的电压值，从而控制装置运行；
当装置运行时，电压/电流采样电路采集电压、电流值，并反馈给控制器MCU，控制器MCU通过内置的反馈控制算法对预置输出值和采样值的差值进行处理，进而通过差值控制BUCK/BOOST斩波电路的输出电压，从而实现对输出电源精度的控制调节；
其中，所述反馈控制算法对预置输出值和采样值的偏差值进行处理的过程为：
计算预置输出值减去采集值的差值，如果差值为正，表明功率放大器实际输出电压值比预置输出值小，则增大控制器MCU发送给DAC的值，同时增大BUCK/BOOST斩波电路的输出电压值；
如果差值为负，表明功率放大器实际输出电压值比预置输出值大，则减小控制器MCU发送给DAC的值，同时减小BUCK/BOOST斩波电路的输出电压值；
其中，所述控制器MCU控制BUCK/BOOST斩波电路的输出电压的方法为：
控制器MCU根据预置输出值与采样值的差值大小动态调节BUCK/BOOST斩波电路的控制信号PWM波的占空比，进而改变BUCK/BOOST斩波电路的输出电压值；
其中，电压采样模块采用分档采集的方式对输出电压采样；具体过程为：系统输出电源经过上端电阻与下端电阻到地分压，通过模拟开关切换选择下端电阻来改变采样档位，采样电压经过仪表运放电压跟随后送入ADC采集电路；
其中，所述电流采样模块同样采用分档采集的方式对输出电流采样；具体过程为：通过模拟开关切换采样电阻来改变采样档位，电流采集电路中采样电阻Ri串联在通道输出电路中，对输出电流I采集时，取采样电阻Ri两端电压值，经过差分比例运算电路后将输出电流I转换为电压值U送入ADC采集电路； 设该差分比例运算电路放大系数为K，则有U＝K*Ri*I，其中，在差分比例运算电路中仪表放大器中输入电阻R和反馈电阻Rf阻值相等；
其中，所述功率放大器的输出电压为：
Figure FDA0002921241890000031
其中，Ui为电压输入，R1、R2为设置参数，通过设置R1、R2参数来设定功率放大倍数，具体需要考虑到对功率放大器功率损耗和结温的控制。
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