TWI439706B - 用於測量一電容組件之一漏電流的裝置 - Google Patents

Description

用於測量一電容組件之一漏電流的裝置

本發明一般係關於使用可程式化增益跨阻抗放大器過載恢復電路於電容組件之一測試。

在用於測試一電容組件(例如一電容器)之一已知裝置及方法中，首先將該組件充電至需要的電壓。接著，測量漏電流。該漏電流之一超出範圍值可指示該組件係不合格的。

本發明之具體實施例提供一種加速測試電容組件之方式，其在自動、高容量製程中係特別需要的。特定言之，本發明提供從過載迅速恢復以便實行需要測試之一裝置之具體實施例。

以下更詳細說明某些具體實施例之發明特徵。

當測試用於漏電流之電容組件(例如多層陶瓷電容器(MLCC))時，由於未充電電容組件將充電電流之一些傳遞至感測電路而存在該感測電路忍耐的較大電流，其中大多數的傳遞電流係下沈至充電二極體。理想地，一旦完全充電，該電容組件不再傳遞電流。實際上，漏電流傳遞而且此電流之準確測量係品質(明確而言為該電容組件之絕緣電阻)之一重要測量。

習知地，使用包括具有各別增益之一或多個運算放大器(op amp)之電路來實行此類測量。針對一運算放大器，對 於其輸入信號多大可在該運算放大器進入飽和前於給定組態中存在有限限制。當一運算放大器係於飽和中時，將該運算放大器之輸出固定於其正或負供應電壓直到將該輸入信號減少至其中該運算放大器係於其運算範圍中而且可提供正確的輸出信號之一點。該運算放大器可多快從飽和出來係數個因子之一函數，該等因子包括(但不限於)其輸出電流源能力、組態及負載。當一電路含有一個以上的運算放大器時，於使得輸出飽和之該第一級運算放大器之輸入的過載亦可將以下級置於一飽和條件中。

當於資料取得中測試時而且在速度係重要的情況下，需要自過載條件迅速恢復以使得可在給定時間獲得準確資料及/或以使得可迅速獲得下一資料集。相應地，本文中說明的本發明之具體實施例主動將該測量電路驅動出此類過載。

圖1顯示依據本發明之一具體實施例之一跨阻抗放大器。圖1包括提供恆定電流Iin之一電流源10。可藉由於在給定需要輸出值之此領域中的電路設計之知識內的任何數目之電路設計來實施該電流源10。例如，該電流源10可代表供應一可變電壓之一電壓源的組合，該可變電壓係耦合至如共同讓渡之美國專利公開案第2008/0290879 A1號中說明的一可程式化電流源，該專利公開案係全文以引用的方式併入本文中。

在圖1中，以假體顯示待測試之一電容組件，下文為在測試中之器件(DUT)20。如下文額外詳細說明，若干此類 器件在連接至該電流源10與包括跨阻抗放大器之測量電路後加以按順序測試。

該DUT 20係串聯耦合至電流源10，而且透過該DUT 20其傳遞之電流係透過一電阻器14供應至配置為一電流感測放大器12之一運算放大器的反相輸入。將該電流感測放大器12之非反相輸入接地。藉由與電容器18並聯之一電阻器16來提供至來自Vout的該電流感測放大器12之反相輸入的回授。電阻器16的值係Rf。

電流感測放大器12之轉移函數係Vout=-Iin*Rf，其意指對於一給定輸入電流，輸出電壓Vout係輸入電流與電阻值Rf之數學乘積。基於設計要求來選擇Rf之歐姆值。例如，假定測量漏電流係+/-1mA之間的一值，其中全標度代表Vout處的+/-5V。可使用5kΩ的Rf值。基於應用藉由設計者來定義全標度。以下相對於圖4更詳細說明Rf之值的程式化。

圖2包括一跨阻抗放大器，其中圖1之該電流感測放大器12作為第一級，添加以一運算放大器形式配置為電壓放大器22之一非反相增益級。當嘗試監視低位準信號時可能需要一或多個額外增益級，例如圖2中所見的增益級。依次地，可增加在第一放大器中的Rf之值。然而，發明者發現若該電流感測放大器12之運算放大器到達其於增益或頻寬上之限制，則此解決方案可能係有問題的。而且，在一些情況下，保持Rf的歐姆值較小可有助於該系統之雜訊增益。由第二級非反相電壓放大器提供的額外放大器允許相 同邏輯之應用以決定如用於先前說明的第一級之範圍及全標度值。

在圖2中，將第一級之輸出(電壓Vin)提供至該電壓放大器22之非反相輸入。透過具有R3之電阻值的電阻器24提供自該電壓放大器22之輸出至其反相輸入的回授，而且透過具有R2之電阻值的電阻器26將該反相輸入接地。此增益級之轉移函數係Vout=Vin*(1+R3/R2)。如先前說明且在該第一級之輸出係Vin的情況下，該第一級之轉移函數係Vin=-Iin*Rf。相應地，採用已知電流Iin，及一需要的最大輸入電壓Vin；以及一需要的最大輸出電壓Vout，可為Rf、R3及R2指派適當的值。例如，在預期待測量之漏電流落在+/-1μA(而非如以上範例中的+/-1mA)之間而且全標度代表+/-5V的情況下，Rf之歐姆值係等於1.25MΩ，其中該第二級之增益(1+R3/R2)係等於4。

儘管將該第二級顯示為一電壓放大器22，但相反可將該運算放大器配置為如以下相對於圖4額外詳細說明的一非反相單位增益(unity gain)緩衝器。而且，基於本文中之教示，在需要情況下可包括一個以上放大級。

圖3包括圖2中顯示的第一與第二級而且將來自第二級之輸出的一額外回授電路添加至該第一級之反相輸入。如圖3中顯示，將第二、非反相增益級之電壓放大器22的輸出連接至兩個背靠背齊納二極體(Zener diode)28。該等齊納二極體28係串聯連接以透過一電阻器30接地。在該等齊納二極體28後係配置為一非反相緩衝器32之一運算放大器。 即，該等齊納二極體28係耦合至該緩衝器32之非反相輸入，而且一回授路徑34係提供於該緩衝器32之輸出與其反相輸入之間。該緩衝器32之輸出係連接至背靠背信號二極體36，其進而係耦合至該第一級之電流感測放大器12的反相輸入。更明確而言，藉由圖3中之電阻器14a與14b來代替圖1與2之電阻器14，而且藉由背靠背齊納二極體28、非反相緩衝器32以及背靠背信號二極體36提供的回授電路係連接至電阻器14a與14b之間的節點38。

在此電路中，於需要、預期範圍內的輸入電流允許電路以如藉由如先前說明的該等級之轉移函數決定的線性方式行為。在正常操作期間，該等背靠背齊納二極體28防止電流至該回授路徑之流動，因為Vout係於該等齊納二極體之接通電壓以下。該非反相緩衝器32係惰性而且該等背靠背信號二極體36防止電流自該節點38至該非反相緩衝器32之輸出流動。然而，在至該電路中的輸入電流(即，至該第一級電流感測放大器12之反相輸入中的輸入電流)係超出範圍而且足夠大以驅動該放大器之輸出至其軌道的任一者的情況下，來自該電壓放大器22之電壓輸出Vout開始朝向其電源供應軌道移動。一旦Vout足夠大以接通該等齊納二極體28，其將係於該等齊納二極體28之箝位電壓處。接著，將該箝位電壓提供至經需要選擇用於高電流驅動能力之該非反相緩衝器32。將來自緩衝器32之輸出之電流供應至該等信號二極體，其在向其供應來自緩衝器32的足夠電流之後開始導電，此依次主動驅動於節點38之電位較低。 因為此電位降低，所以藉由該電流感測放大器12看見之輸入信號減少以允許該放大器在其輸入開始自過載恢復。

儘管圖3解說自該第二級之輸出至該第一級的反相輸入的一回授電路，但圖3之該回授電路可採用如圖1中教示之一單一級來實施。此至少針對穩定性原因係一般較少需要，但係可行的。而且，可採用利用如相對於圖4說明的一緩衝器代替的圖2之該電壓放大器22來實施圖3之組態。

電路布局中之增益可係可程式化，如圖4中顯示。在圖4中，第一級與第二級兩者之增益取決於應用係可程式化。除圖3中顯示的組態外，圖4包括耦合至用於該電流感測放大器12之兩回授電路的一場可程式化閘極陣列(FPGA)50。更明確而言，一第一回授電路52包括並聯配置的電阻器16a與電容器18a，而且一第二回授電路54包括並聯配置的電阻器16b與電容器18b。如先前相對於電阻器16說明，16a或16b的值係Rf。兩個以上的回授電路係可行。該FPGA50經程式化用以接通，即，取決於控制信號1與2來啟用第一或第二回授電路52、54。同樣地，為耦合至該電壓放大器22之電阻器26的一開關56提供可選擇控制。透過至開關56的控制信號3之施加，可在電路內及外切換電阻器26(具有值R2)。如熟習此項技術者從此說明認識到，省略電阻器26將該運算放大器之組態自該電壓放大器22之組態改變至一非反相單位增益緩衝器。此組態當該輸出信號Vin不需加以放大時有用。如在圖3之說明中，若需要該第 二級可全部省略。

藉由除各種輸入與輸出連接外包括一隨機存取記憶體(RAM)、一唯讀記憶體(ROM)、不失效記憶體(KAM)、一中央處理單元(CPU)等的一微電腦來提供此具體實施例中之控制信號1、2與3。例如，在以下相對於圖5說明的應用中，該微電腦操作一軟體程式以實行說明之測試，其包括由使用者表示的設定選單，該選單包括例如預期漏電流(其取決於電容組件之大小及對應全標度電壓)之資訊。回應此選單，該微電腦可透過提供至該FPGA 50及開關56之控制信號1、2與3來程式化該增益。當然，可藉由一或多個硬體組件來實施該FPGA 50之功能。任何數目之固態開關可用於實施開關56。

在該電路布局中具有可程式化增益允許含有電路之任何量測計具有較大動態範圍。例如，測量能力範圍可自具有解析度之+/-1mA之間的漏電流值下降至+/-200pA。當需要此類精度測量時，此任務較難僅使用Rf、R3與R2之固定值來完成。將此範圍細分為複數個區域使得該任務對於所涉及之硬體更容易。在此等範圍內，可藉由定義用於每一範圍之一全標度電壓以及用於如以上說明的第二級之增益值來指派Rf、R3與R2之歐姆值。當該儀器需要較大動態範圍時，按需要程式化電流感測放大器12之Rf的歐姆值以及電壓放大器22之增益。接著，獨立於範圍，若至該電路之輸入電流係足夠大以在電流感測放大器12處造成過載，則朝向該齊納二極體28接通電壓來驅動放大器22之輸 出。一旦到達此電壓，回授網路啟動，從而協助該電路比放大器12或22藉由其自身所具有的速度更快地返回至其線性範圍，而且一旦電流感測放大器12之輸出電壓與電壓放大器22之增益的乘積係於該齊納二極體接通電壓以下，該回授網路即關閉。該電路返回於其線性範圍內。

如提及，當預期漏電流值之一範圍時，需要細分該等範圍而且基於每一範圍控制該可程式化增益。以下表格提供作為本發明之可程式化增益教示之應用的一範例之四個不同範圍的漏電流的值。

可藉由使324kΩ之Rf值與電阻器16a相關聯並且使20kΩ之Rf值與電阻器16b相關聯而在圖4之具體實施例中實施此等範圍。可接著藉由該FPGA 50來選擇性地切換此等值。可設定電阻器24與26之電阻值致使該增益係4，例如，值R3可係3kΩ，而R2的值可係1kΩ。可接著藉由開關56來選擇性地切換電壓放大器22之增益以取決於需要的範圍而改變1與4之間的增益。

可在用於測試電容組件之任何數目的應用中將依據圖1至4之任一者的電路實施為一單獨測試器件之部分。亦可在自該電流源的一分離器件中實施該跨阻抗放大器。接著，該電流源可為任何可程式化電腦控制源，例如自波蘭的電子科學工業公司或本專利申請案之受讓人可獲得的54XX電源供應之模型。該跨阻抗放大器之一特別需要的用途係於在相對較短週期時間內測試高容量電子組件之電子組件處置器中。此等處置器包括(但不限於)由電子科學工業公司銷售的產品，該電子科學工業公司銷售包括(但不限於)作為模型3500銷售的高容量MLCC測試器的各種電子組件處置器。

在標題為「電路組件處置器」之共同讓渡的美國專利第5,842,579號中解說一電子組件處置機器，該專利係全文以引用的方式併入本文中。圖5顯示該電路組件處置器100之一總插圖。該處置器100具有界定一裝載區130之一裝載框架112、界定一測試區115之複數個測試模組114以及界定一排放區170之一排放元件160。在操作中，電子組件傳遞透過裝載框架112進入裝載區130以在真空的協助下個別牽引至於一測試板(未全部顯示)上發現的測試座124。在於該測試區115中測試一組件後，該組件移動至該排放區170，其中該排放元件160移除真空並基於測試之結果將該組件分類。

儘管未詳細顯示，但本發明之一具體實施例以及電流源10若加以分離實施則將係電耦合至用於測試測試區115中的每一組件之測試模組114。即，測試座124中之組件透過該等測試模組114之使用在測試區115中經受若干測試。例如，當測試MLCC時，一般提供關於(例如)電容、耗散因子及絕緣電阻之資料。從測試獲得之資料可接著用於藉由容限分類該等組件並發現係有缺陷之此等組件。

如以上簡要解釋，在操作中，當一未充電電容器進入用於測試時，此處係放置於一測試座124中，將充電電流及充電電壓施加於此DUT 20以依序依據個別製造要求來按順序實施測試。相對於絕緣電阻(IR)測試，自電流源10至該DUT 20的充電電流之施加導致較大電流，從而在跨阻抗放大器中產生過載，其以該電流感測放大器12之過載開始。在該DUT 20充電時，於該電流感測放大器12之反相輸入處看見之電流開始降低。在較短時間後，至該電流感測放大器12之輸入係漏電流。該測量漏電流代表該DUT 20之絕緣電阻。該電流感測放大器12以及在可應用的情況下該電壓放大器22之恢復時間係藉由對每一級之適當增益選擇以及當使用時的圖3之回授電路來最小化。當該DUT 20係較大值電容器時較小恢復時間係特別重要，其中該漏電流係相對較高。若在完成恢復前(即，在過載之結束前)進行測量，則該測量可捕獲該測量電路恢復之響應而且並非實際漏電流。在高速測試中，此不止係一風險。

初始過載及所得恢復時間之問題亦可藉由可在絕緣電阻(IR)測試前加以實行的其他測試而複雜化。一此類測試係接觸檢查測試。該接觸檢查測試係用於驗證待測試之組件(例如DUT 20)已確切到達測試台。依據一已知實施方案，透過該DUT 20產生1伏特峰至峰高頻率正弦波，而且測量該所得交流電流並將其與指示該DUT 20存在之一預定臨限值相比較。依據本發明之具體實施例從跨阻抗放大器分離之感測電路從共同入口點實行此測量。此充電電壓之施加可使得圖1至3之任一者的電路過載。取決於在進行IR測量前允許多少浸泡(soak)時間，可由於此早期測試而需要快速恢復電流感測放大器12與電壓放大器22。

可將於美國專利公開案第2008/0290879 A1號中教示之發明概念與本發明之教示合併以獲得額外利益。圖6解說依據美國專利公開案第2008/0290879 A1號之教示對一快速恢復電流槽46的圖1之測量電路的可選擇添加。

在圖6中，該快速恢復電流槽46係在DUT 20與電阻器14之間的一分接頭60上連接而且係接地。藉由並聯配置之兩個二極體42、44來提供二極體箝位40致使該第一二極體42之陽極與該第二二極體44之陰極係接地而且該第一二極體42之陰極與該第二二極體44之陽極係電耦合至該分接頭60。該等箝位二極體42、44為該DUT 20之充電電流提供一電流返回路徑。此外，若該DUT 20藉由箝位該電流源10之電壓而短路，則該等箝位二極體42、44為該電流感測放大器12提供輸入保護。請注意，該等箝位二極體42、44可同樣併入本發明之每一具體實施例中，儘管其並未顯示於圖1至4中以簡化該跨阻抗放大器之說明。

此處藉由一固態繼電器(藉由範例僅自加州El Segundo之國際整流器公司獲得之一PVG 612功率MOSFET光電繼電器)來實施橫跨該二極體箝位40係並聯連接之美國專利公開案第2008/0290879 A1號的開關70。來自一控制器之控制信號48在開關70附近，同時該DUT 20係藉由該電流源10充電。接著，在由該跨阻抗放大器測量漏電流前斷開該開關70。

使用本發明之教示，消除對啟用與停用美國專利公開案第2008/0290879 A1號中說明的充電電路(包括槽46)與測量電路的開關之間的座標時序之需要。在於測量漏電流前切換該電流槽46為斷開時，導致該電流感測放大器12之電位的改變。相應地，存在於使用情況下之該電流感測放大器12與電壓放大器22之輸出的所得改變。本文中教示之該跨阻抗放大器的過載恢復組件接著協助減少任何電壓干擾，允許在切換該電流槽46後迅速進行漏電流測量。

此等教示之組合當測試高值電容器時特別有用。此係因為當切斷該電流槽46時，由於整個跨阻抗放大器之高阻抗而在至該電流感測放大器12之輸入的量值中存在立即改變。此量值取決於該跨阻抗放大器之輸入阻抗值Rin及該電流感測放大器12之值Rf。該跨阻抗放大器之電壓增益遵循轉移函數Vout=-Rf/Rin。若值Rf係與用於毫微安培及皮可安培測量所需要的值一樣大，則至該電流感測放大器12之初始過載係很可能。由於該跨阻抗放大器之過載恢復，該過載迅速解析。

儘管圖6顯示耦合至圖1之該跨阻抗放大器的快速恢復電流槽46，但可將該快速恢復電流槽46併入至其具體實施例之任一者中，該等具體實施例包括相對於圖2至4顯示及說明之具體實施例。

於生產環境中之電容組件漏電流測量需要準確及速度兩者。採用過載恢復之一跨阻抗放大器的具體實施例允許於前端電路中之任何初始過載的迅速減少，因此限制在完全充電所測試的電容組件之後漏電流之測量中的延遲。此外，實施該跨阻抗放大器之一具體實施例減少如此進行的測量將反映其恢復而非實際漏電流之風險。

已說明以上說明的具體實施例以便允許容易理解本發明而非限制本發明。相反，本發明旨在涵蓋包括於隨附申請專利範圍之精神及範疇內之各種修改及等效配置，該範疇係符合最廣解譯以便包含如在法律下准許的所有此類修改及等效結構。

10．．．電流源

12．．．電流感測放大器

14．．．電阻器

14a．．．電阻器

14b．．．電阻器

16．．．電阻器

16a．．．電阻器

16b．．．電阻器

18．．．電容器

18a．．．電容器

18b．．．電容器

20．．．測試下之器件(DUT)

22．．．電壓放大器

24．．．電阻器

26．．．電阻器

28．．．齊納二極體

30．．．電阻器

32．．．緩衝器

34．．．回授路徑

36．．．信號二極體

38．．．節點

40．．．二極體箝位

42．．．二極體

44．．．二極體

46．．．快速恢復電流槽

48．．．控制信號

50．．．場可程式化閘極陣列(FPGA)

52．．．回授電路

54．．．回授電路

56．．．開關

60．．．分接頭

70．．．開關

100．．．組件處置器

112．．．裝載框架

114．．．測試模組

115．．．測試區

124．．．測試座

130．．．裝載區

160．．．排放元件

170．．．排放區

本文中的說明參考附圖，其中相同參考數字指數個圖式中的相同零件，而且其中：

圖1係依據本發明的一項具體實施例之一跨阻抗放大器之一示意圖；

圖2係依據本發明的另一項具體實施例之一跨阻抗放大器之一示意圖；

圖3係依據本發明的另一項具體實施例之一跨阻抗放大器之一示意圖；

圖4係依據解說每一級之一可程式化增益的圖3之一跨阻抗放大器之一示意圖；

圖5係其中可使用本發明之具體實施例的一電子組件處置機器之平面圖；以及

圖6係與依據圖1之跨阻抗放大器合併的一快速恢復電流槽之一示意圖。

10‧‧‧電流源

12‧‧‧電流感測放大器

14a‧‧‧電阻器

14b‧‧‧電阻器

16a‧‧‧電阻器

16b‧‧‧電阻器

18a‧‧‧電容器

18b‧‧‧電容器

20‧‧‧測試下之器件(DUT)

22‧‧‧電壓放大器

24‧‧‧電阻器

26‧‧‧電阻器

28‧‧‧齊納二極體

32‧‧‧緩衝器

34‧‧‧回授路徑

36‧‧‧信號二極體

38‧‧‧節點

50‧‧‧場可程式化閘極陣列(FPGA)

52‧‧‧回授電路

54‧‧‧回授電路

56‧‧‧開關

Claims (14)

1. 一種用於測量一電容組件之一漏電流的裝置，該裝置包含：一第一級放大器，其經組態用以在一反相輸入處接收來自一電容組件的一輸入；該第一級放大器中之一回授路徑，該回授路徑之一電阻值取決於該漏電流之一期望值以及該第一級放大器之一對應全標度電壓；以及一第二級放大器，其係耦合至該第一級放大器之一輸出，該第二級放大器包括一可程式化增益。
2. 如請求項1之裝置，其中該回授路徑之該電阻值係可程式化，該裝置進一步包含：用於選擇性切換該回授路徑中之若干電阻來將該電阻值程式化為複數個值之一者之構件。
3. 如請求項1或請求項2之裝置，其進一步包含：用於將該可程式化增益自單位增益切換至大於單位增益之一值之構件。
4. 如請求項1或請求項2之裝置，其中該第一級放大器之該輸出係耦合至該第二級放大器之一非反相輸入。
5. 如請求項4之裝置，其中該第二級放大器包含：一開關，其經組態用以將該可程式化增益自單位增益切換至大於單位增益之一值。
6. 如請求項1或請求項2之裝置，其進一步包含：一回授路徑，其係自該第二級放大器之一輸出至該第 一級放大器之該反相輸入處的一加總接面。
7. 如請求項6之裝置，其中自該第二級放大器之該輸出連接至該第一級放大器之該反相輸入處的該加總接面之該回授路徑包含：用於防止電流自該第二級放大器之一輸出至該第一級放大器之該反相輸入處的該加總接面之一流動直到該第二級之該輸出超過一定義範圍的值之構件；以及用於限制一電流在自該加總接面至該第二級放大器之該輸出的一方向上之流動之構件。
8. 如請求項7之裝置，其中該定義範圍包括大於該第二級放大器之飽和電壓的值。
9. 如請求項6之裝置，其中自該第二級放大器之該輸出連接至該第一級放大器之該反相輸入處的該加總接面之該回授路徑包含：背靠背齊納二極體，該等背靠背齊納二極體係耦合至該第二級放大器之該輸出；包括一非反相輸入之一緩衝放大器，其係耦合至該等背靠背齊納二極體；以及背靠背信號二極體，該等背靠背信號二極體係耦合至該緩衝放大器之一輸出以及該第一級放大器之該反相輸入的該加總接面。
10. 如請求項1之裝置，其進一步包含：一回授路徑，其係自該第一級放大器之一輸出至該第一級放大器之該反相輸入，該回授路徑經組態用以當該 第一級放大器之一輸出值指示該第一級放大器之飽和時減少至該反相輸入的一輸入。
11. 如請求項1或請求項2之裝置，其進一步包含：一回授路徑，其係自該第二級放大器之一輸出至該第一級放大器之該反相輸入，該回授路徑經組態用以當該第二級放大器之一輸出值指示該第二級放大器之飽和時減少至該反相輸入的一輸入。
12. 如請求項11之裝置，其進一步包含：一可程式化器件，其經組態用以取決於該漏電流之該期望值以及該第一級放大器之該對應全標度電壓而將該可程式化回授電阻器自一第一值切換至一第二值。
13. 如請求項11之裝置，其進一步包含：一個二極體箝位，其係耦合至該第一級放大器之該反相輸入。
14. 如請求項11之裝置，其進一步包含：一電流源，其係以串聯方式耦合至該電容組件。