CN114844347B - 一种降低高压测试机电源功耗电路及方法 - Google Patents

一种降低高压测试机电源功耗电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低高压测试机电源功耗电路及方法，包括高压电压源单元、电流控制开关单元、控制电路单元，所述高压电压源单元包括n个DC电压源模块、（n‑1）个二极管以及（n‑1）个电阻，所述电流控制开关单元包括（n‑1）个电流控制开关，控制电路单元根据所需测量条件实现控制各个功率管工作状态，通过各个功率管工作状态控制每个直流电压源实际输出状态，以满足被测器件测试所需的电气参数。在保持实际最大输出电压不变的前提下采用n个DC电压源模块串联得到高压电压源，串联的每个DC电压源模块实际输出状态由电流控制开关单元中的电流控制开关单独控制。本发明能够实现降低功耗，提升回路效率。

Description

一种降低高压测试机电源功耗电路及方法
技术领域
本发明涉及一种降低高压测试机电源功耗电路及方法，属于半导体高压测试技术领域。
背景技术
目前市面上常见的分立测试机高压测试电路一般采用如图1所示的线性电路，该电路采用一个独立高压电源V1提供半导体测试所需电压，为使得测试机可兼容不同种类、型号的半导体器件测试，高压直流电源V1的输出电压往往可达到大几百伏乃至上千伏。此种电路在测量高压半导体器件时能达到较高的效率。然市面上多数的半导体器件在测试时一般只需提供几十乃至小几百伏的测试电压条件即可，采用此种电路测试上述半导体器件，电源V1直流输出需经过多个功率管消耗输出的额外电压以满足器件测试所需条件，大量电压负载在功率管上将导致其发热严重，不仅系统整体效率低下，而且存在容易损坏、影响测试等问题。
以图1为例，假设电源V1输出电压1600V,采用该电路测量某稳压二极管，设置测试条件V=300V(分立测试机低压模块输出一般小于100V)，I=10mA(一般高压板最大输出电流)。
此时控制电路控制功率管压降为1300V，流经功率管电流为10mA,功率管损耗的功率为13W，而实际所需输出功率实为3W,损耗功率远远大于实际所需输出功率，此种测试条件下电路整体效率仅为18.75%。
发明内容
发明目的：由于传统测试机高压测试电路输出只能由单个电源提供，无法进行调节，对于整体电路而言，在进行小电压等非高压半导体测试时，功率管存在功耗过大，发热严重，容易损坏的问题，且测试电路整体效率偏低，本发明提供一种降低高压测试机电源功耗电路及方法，采用多个电流控制开关和直流电源组合，通过电流控制开关监控上级电压源输出状态实现对总输出电压的自激控制，使得输出电压与实际所需测试电气参数尽量接近，从而实现降低功耗，提升回路效率的目的。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种降低高压测试机电源功耗电路，包括高压电压源单元、电流控制开关单元、控制电路单元，其中：
所述高压电压源单元包括n个DC电压源模块、（n-1）个二极管以及（n-1）个电阻，n个DC电压源模块分别记为第1个DC电压源模块V1、第2个DC电压源模块V2、…、第n个DC电压源模块Vn，（n-1）个二极管分别记为第1个二极管D1、第2个二极管D2、…、第（n-1）个二极管Dn-1，（n-1）个电阻分别记为第1个电阻R1、第2个电阻R2、…、第（n-1）个电阻Rn-1，第1个DC电压源模块V1、第2个DC电压源模块V2、…、第n个DC电压源模块Vn之间由负极到正极的顺序依次连接。
所述电流控制开关单元包括（n-1）个电流控制开关，（n-1）个电流控制开关分别记为第1个电流控制开关K1、第2个电流控制开关K2、…、第（n-1）个电流控制开关Kn-1。（n-1）个电流控制开关的初始状态为闭合状态。
第i个电阻Ri的一端连接在第i个DC电压源模块Vi的正极上，第i个电阻Ri的另一端连接在第i个电流控制开关Ki的引脚二上，第i个电流控制开关Ki的引脚一连接在第（i+1）个DC电压源模块Vi+1的正极上，第i个电流控制开关Ki的引脚四与第（i+1）个电流控制开关Ki+1的引脚三连接，第i个电流控制开关Ki的引脚三连接在第i个二极管Di的正极端，i=1,2，…，n-2。
第（n-1）个电阻Rn-1的一端连接在第（n-1）个DC电压源模块Vn-1的正极上，第（n-1）个电阻Rn-1的另一端连接在第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚二上，第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚一连接在第n个DC电压源模块Vn的正极上，第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚三连接在第（n-1）个二极管D n-1的正极端，所有二极管的负极端均与第（n-1）个电流控制开关Kn-1的引脚四连接。
控制电路单元根据所需测量条件实现控制各个功率管工作状态，通过各个功率管工作状态控制每个直流电压源实际输出状态，以满足被测器件测试所需的电气参数。
优选的：所述控制电路单元包括控制电路模块、n个功率管，n个功率管记为第1个功率管Q1、第2个功率管Q2、…、第n个功率管Qn，第j个功率管Qj的集电极与第（j-1）个功率管Qj-1的发射极连接，第j个功率管Qj的基极与控制电路模块连接，第j个功率管Qj的发射极与第（j+1）个功率管Qj+1的集电极连接，j=2,3,4, …, n-1。第1个功率管Q1的集电极与第（n-1）个电流控制开关Kn-1的引脚四连接, 第1个功率管Q1的基极与控制电路模块连接, 第1个功率管Q1的发射极与第2个功率管Q2的集电极连接。第n个功率管Qn的集电极与第（n-1）个功率管Qn-1的发射极连接, 第n个功率管Qn的基极与控制电路模块连接, 第n个功率管Q1的发射极用于与被测器件正极连接，第1个DC电压源模块V1的负极用于与被测器件负极连接。
一种降低高压测试机电源功耗的方法，在保持实际最大输出电压不变的前提下采用n个DC电压源模块串联得到高压电压源，串联的每个DC电压源模块实际输出状态由电流控制开关单元中的电流控制开关单独控制。
优选的：根据测试所需的实际电压条件自激式地控制电流控制开关的导通状态从而选择合适的电源组合输出，通过减小功率管负载电压达到减少功率管功耗
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明针对传统高压测试电路独立电压源无法调节的问题，在保持实际最大输出电压不变的前提下采用多个直流电压源串联的形式替代原单个高压电压源，串联的每个电压源实际输出状态由电流控制开关单独控制，提升了测试电路整体效。实际输出电压减小，电路不易损坏，使用寿命提升。整体回路发热量减少，降低温漂等不稳定因素对测试的干扰，测量更加精准。多个DC电压源较传统单电压源来说每个要求的输出电压更低，设计较为方便且单个电压源损坏后替换方便。
附图说明
图1为现有分立测试机高压测试电路。
图2为本发明实施例的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种降低高压测试机电源功耗电路，如图2所示，包括高压电压源单元、电流控制开关单元、控制电路单元，其中：
所述高压电压源单元包括n个DC电压源模块、（n-1）个二极管以及（n-1）个电阻，n个DC电压源模块分别记为第1个DC电压源模块V1、第2个DC电压源模块V2、…、第n个DC电压源模块Vn，（n-1）个二极管分别记为第1个二极管D1、第2个二极管D2、…、第（n-1）个二极管Dn-1，（n-1）个电阻分别记为第1个电阻R1、第2个电阻R2、…、第（n-1）个电阻Rn-1，第1个DC电压源模块V1、第2个DC电压源模块V2、…、第n个DC电压源模块Vn之间由负极到正极的顺序依次连接。
所述电流控制开关单元包括（n-1）个电流控制开关，（n-1）个电流控制开关分别记为第1个电流控制开关K1、第2个电流控制开关K2、…、第（n-1）个电流控制开关Kn-1。（n-1）个电流控制开关的初始状态为闭合状态。
第i个电阻Ri的一端连接在第i个DC电压源模块Vi的正极上，第i个电阻Ri的另一端连接在第i个电流控制开关Ki的引脚二上，第i个电流控制开关Ki的引脚一连接在第（i+1）个DC电压源模块Vi+1的正极上，第i个电流控制开关Ki的引脚四与第（i+1）个电流控制开关Ki+1的引脚三连接，第i个电流控制开关Ki的引脚三连接在第i个二极管Di的正极端，i=1,2，…，n-2。
第（n-1）个电阻Rn-1的一端连接在第（n-1）个DC电压源模块Vn-1的正极上，第（n-1）个电阻Rn-1的另一端连接在第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚二上，第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚一连接在第n个DC电压源模块Vn的正极上，第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚三连接在第（n-1）个二极管D n-1的正极端，所有二极管的负极端均与第（n-1）个电流控制开关Kn-1的引脚四连接。
控制电路单元根据所需测量条件实现控制各个功率管工作状态，通过各个功率管工作状态控制每个直流电压源实际输出状态，以满足被测器件测试所需的电气参数。
所述控制电路单元包括控制电路模块、n个功率管，n个功率管记为第1个功率管Q1、第2个功率管Q2、…、第n个功率管Qn，第j个功率管Qj的集电极与第（j-1）个功率管Qj-1的发射极连接，第j个功率管Qj的基极与控制电路模块连接，第j个功率管Qj的发射极与第（j+1）个功率管Qj+1的集电极连接，j=2,3,4, …, n-1。第1个功率管Q1的集电极与第（n-1）个电流控制开关Kn-1的引脚四连接, 第1个功率管Q1的基极与控制电路模块连接, 第1个功率管Q1的发射极与第2个功率管Q2的集电极连接。第n个功率管Qn的集电极与第（n-1）个功率管Qn-1的发射极连接, 第n个功率管Qn的基极与控制电路模块连接, 第n个功率管Q1的发射极用于与被测器件正极连接，第1个DC电压源模块V1的负极用于与被测器件负极连接。
一种降低高压测试机电源功耗的方法，在保持实际最大输出电压不变的前提下采用n个DC电压源模块串联得到高压电压源，串联的每个DC电压源模块实际输出状态由电流控制开关单元中的电流控制开关单独控制。
根据测试所需的实际电压条件自激式地控制电流控制开关的导通状态从而选择合适的电源组合输出，通过减小功率管负载电压达到减少功率管功耗。
本实施例电路提供多个DC电压源和电流控制开关的组合，DC电压源模块（V1、V2....Vn）将市电交流电压转换成测试所需的直流电压，电流控制开关（K1、K2....Kn-1）对上级电源输出的电信号进行监测控制其对应电压源实际输出状态，二极管（D1、D2....Dn-1）控制电流控制开关输入端电流进行单向传输，电阻（R1、R2....Rn-1）起到限制流经电流控制开关副边电流大小的作用，应选取合适阻值使其在对应电压源电压输出达到最大时控制开关断开，使其在对应电压源输出达到最大时控制开关闭合。控制电路模块则根据所需测量条件实现控制各个功率管导通状态达到控制实际输出电气参数的目的。
电路具体工作原理如下：
以测量器件所需电压与设计电源额定电压存在如下关系为例进行说明：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为测试所需电压条件，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为电源V1、V2、V3设计的额定电压值。
此时控制电路按如下顺序进行工作：
1.电源V1启动，输出电压逐渐上升直至达到V1设计的额定电压。
2.电流控制开关K1输入端（2、3脚所在边）电流达到最大，输出端（1、4脚所在边）在监测到输入端电流达到最大时控制开关断开（默认开关闭合）。
3.电源V2启动，输出电压逐渐上升直至达到V2设计的额定电压。
4.电流控制开关K2输入端（2、3脚所在边）电流达到最大，输出端（1、4脚所在边）在监测到输入端电流达到最大时控制开关断开。
5.电源V3启动，输出电压逐渐上升直至满足测试所需电压(此时V3输出未达到设计的额定电压)；
6.电流控制开关K3输入端（2、3脚所在边）电流小于电流控制开关所设计的控制开关断开的阈值，输出端（1、4脚所在边）开关仍保持闭合状态，下级电源不进行工作。
本电路所串联的电源数目及单个电压源的输出值应根据实际应用情况进行组合（串联的电压源数目越多且输出值约越小则可控制输出电压范围越精确，随之成本也越高）。
与市面上常见的半导体测试机的高压测试电路相比，本电路可根据测试所需的实际电压条件自激式地控制开关的导通状态从而选择合适的电源组合输出，通过减小功率管负载电压的方法达到减少功率管功耗、提升电路效率的目的。
以图2为例，假设输入电压源采用100V、300V、500V、700V四个DC电压源（V1、V2、V3、V4）串联组合的形式,同2中测试条件一致，设置稳压二极管测量条件V=300V,I=10mA：
根据所需测量电压，电流控制开关K1断开其余开关保持闭合状态，电流控制开关K1闭合其余断开，电源电压由V1、V2提供，输出400V，加在功率管两端的额外电压为100V，流经功率管的电流为10mA,功率管损耗的功率为1W,实际输出功率则为3W，电路整体效率为75%。
表1.改善前后电路数据对比
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表1为一中传统测试电路与改善后的电路的在实际应用情况下（V=300V,I=10mA）的各个参数对比。如表1所示，在同等测试条件下，改善后的电路实际输出电压更加贴近测试条件电压，功率管损耗电压也大大降低，可极大提升测试机的工作效率。
与传统电路高压测试电路相比，在控制电源总输出电压不变的情况下，改善后的电路效率较传统电路效率之比为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为电源最大输出电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为改善后的电路在不同测试情况下实际输出电压。
本实施例采用多个电流控制开关和直流电源的组合，通过电流控制开关监控上级电压源输出状态实现对总输出电压的自激控制，使得输出电压与实际所需测试电气参数尽量接近，从而实现降低功耗，提升回路效率的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种降低高压测试机电源功耗电路，其特征在于：包括高压电压源单元、电流控制开关单元、控制电路单元，其中：
所述高压电压源单元包括n个DC电压源模块、（n-1）个二极管以及（n-1）个电阻，n个DC电压源模块分别记为第1个DC电压源模块V1、第2个DC电压源模块V2、…、第n个DC电压源模块Vn，（n-1）个二极管分别记为第1个二极管D1、第2个二极管D2、…、第（n-1）个二极管Dn-1，（n-1）个电阻分别记为第1个电阻R1、第2个电阻R2、…、第（n-1）个电阻Rn-1，第1个DC电压源模块V1、第2个DC电压源模块V2、…、第n个DC电压源模块Vn之间由负极到正极的顺序依次连接；
所述电流控制开关单元包括（n-1）个电流控制开关，（n-1）个电流控制开关分别记为第1个电流控制开关K1、第2个电流控制开关K2、…、第（n-1）个电流控制开关Kn-1；（n-1）个电流控制开关的初始状态为闭合状态；
第i个电阻Ri的一端连接在第i个DC电压源模块Vi的正极上，第i个电阻Ri的另一端连接在第i个电流控制开关Ki的引脚二上，第i个电流控制开关Ki的引脚一连接在第（i+1）个DC电压源模块Vi+1的正极上，第i个电流控制开关Ki的引脚四与第（i+1）个电流控制开关Ki+1的引脚三连接，第i个电流控制开关Ki的引脚三连接在第i个二极管Di的正极端，i=1,2，…，n-2；
第（n-1）个电阻Rn-1的一端连接在第（n-1）个DC电压源模块Vn-1的正极上，第（n-1）个电阻Rn-1的另一端连接在第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚二上，第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚一连接在第n个DC电压源模块Vn的正极上，第（n-1）个电流控制开关K n-1的引脚三连接在第（n-1）个二极管D n-1的正极端，所有二极管的负极端均与第（n-1）个电流控制开关Kn-1的引脚四连接；
控制电路单元根据所需测量条件实现控制各个功率管工作状态，通过各个功率管工作状态控制每个直流电压源实际输出状态，以满足被测器件测试所需的电气参数。
2.根据权利要求1所述降低高压测试机电源功耗电路，其特征在于：所述控制电路单元包括控制电路模块、n个功率管，n个功率管记为第1个功率管Q1、第2个功率管Q2、…、第n个功率管Qn，第j个功率管Qj的集电极与第（j-1）个功率管Qj-1的发射极连接，第j个功率管Qj的基极与控制电路模块连接，第j个功率管Qj的发射极与第（j+1）个功率管Qj+1的集电极连接，j=2,3,4, …, n-1；第1个功率管Q1的集电极与第（n-1）个电流控制开关Kn-1的引脚四连接,第1个功率管Q1的基极与控制电路模块连接, 第1个功率管Q1的发射极与第2个功率管Q2的集电极连接；第n个功率管Qn的集电极与第（n-1）个功率管Qn-1的发射极连接, 第n个功率管Qn的基极与控制电路模块连接, 第n个功率管Q1的发射极用于与被测器件正极连接，第1个DC电压源模块V1的负极用于与被测器件负极连接。
3.一种基于根据权利要求2所述降低高压测试机电源功耗电路的方法，其特征在于：在保持实际最大输出电压不变的前提下采用n个DC电压源模块串联得到高压电压源，串联的每个DC电压源模块实际输出状态由电流控制开关单元中的电流控制开关单独控制。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：根据测试所需的实际电压条件自激式地控制电流控制开关的导通状态从而选择合适的电源组合输出，通过减小功率管负载电压达到减少功率管功耗。
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