TWI501063B

TWI501063B - 電源裝置以及使用該電源裝置的測試裝置

Info

Publication number: TWI501063B
Application number: TW102118146A
Authority: TW
Inventors: Takahiko Shimizu; Katsuhiko Degawa
Original assignee: Advantest Corp
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2015-09-21
Also published as: CN103513073A; US9318955B2; US20140002036A1; KR20140004008A; KR101450458B1; TW201403283A; JP2014010009A; JP5438803B2

Description

電源聚置以及使用該電源裝置的測試裝置

本發明是有關於一種對元件(device)供給電源電壓或電源電流的電源裝置。

測試裝置具備電源裝置，該電源裝置對於被測試元件(Device Under Test，DUT)供給電源電壓或電源電流(以下稱作電源電壓V_DD)。圖1是示意性地表示習知的電源裝置的方塊圖。電源裝置1100具備：電源輸出部1026、以及控制電源輸出部1026的頻率控制控制器(controller)(以下稱作控制器)1024。例如，電源輸出部1026為演算放大器(operational amplifier)(緩衝器(buffer))、直流/直流(Direct Current/Direct Current，DC/DC)轉換器(converter)或線性調節器(linear regulator)、或者定電流源，生成應供給至DUT1的電源電壓或電源電流(輸出信號OUT)。

在DUT1的電源端子的最近處，設有去耦電容器(decoupling capacitor)C1，而且，電源裝置1100的輸出端子與DUT1的電源端子之間是經由電纜(cable)而連接。電源裝置1100 的控制對象並非電源輸出部1026的輸出信號OUT，實際上是對DUT1的電源端子施加的電源電壓V_DD。習知，控制器1024是以反饋(feedback)的觀測值(控制對象)與規定的參照值(基準值)的差分值成為零(zero)的方式，來輸出控制值。作為觀測值，可例示為與供給至DUT1的電源電壓或電源電流等相應的反饋信號。例如，圖1中以減法器的符號(symbol)所示的電路元件1022為誤差增幅器(演算增幅器)，對觀測值與基準值的誤差進行放大。類比(analog)的控制器1024以誤差成為零的方式來生成控制值。電源輸出部1026的狀態是根據控制值而受到反饋控制，其結果，作為控制對象的電源電壓V_DD被穩定化為目標值。於對控制對象1010進行控制時應考慮的參數(parameter)示意性地表示為寄生參數1030。寄生參數1030包括電源電纜或電源裝置1100內部的寄生電阻、寄生電容、寄生電感(inductor)等。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開平6-249889號公報

專利文獻2：日本專利特開2012-2666號公報

習知，控制器1024是使用類比電路而構成。因此，存在如下問題：控制器的綜合性能由構成該控制器的類比元件的性能而固定地決定。即，假定某控制對象1010以及寄生參數1030而設計出的電源裝置1100在控制對象1010或寄生參數1030不同於設計時的假定值時，無法發揮按照設計的性能。

而且，習知，對於控制對象1010以及寄生參數1030，是使用與他們非常匹配(fitting)的等價電路來近似，但此種近似無法期待高精度。因此，習知，必須將控制器1024的反饋頻帶設計為較窄，盡管非本意也使特性惡化，以實現電路動作的穩定化。

本發明是有鑒於該課題而完成，其一方案的例示性目的之一在於，提供一種在包含負載的系統的變動時，可高速使電源信號穩定化的電源裝置。

本發明的一方案是有關於一種電源裝置，其經由電源線(line)來對元件的電源端子供給電源信號。電源裝置包括：A/D(Analog/Digital，類比/數位)轉換器，經由反饋線來接收類比觀測值，並對類比觀測值進行類比/數位轉換而生成數位觀測值，該類比觀測值與供給至元件的電源端子的電源信號相應；數位演算部，藉由數位演算處理而生成控制值，該控制值被調節成使來自A/D轉換器的數位觀測值與規定的基準值一致；D/A(Digital/Analog，數位/類比)轉換器，對控制值進行數位/類比轉換，並將其結果獲得的類比的電源信號經由電源線而供給至元件的電源端子；以及反饋比計算部，計算控制值與數位觀測值之比。數位演算部是基於反饋比計算部計算出的比，而可變更其演算處理內容所構成。

在控制值D_OUT與數位觀測值D_M之間，有D_OUT≧D_M的關係成立，作為控制值D_OUT與數位觀測值D_M的比的反饋比 β=D_M/D_OUT於0~1的範圍內變動。根據該方案，藉由響應控制部，以反饋比β越小則系統的響應越快的方式，來控制數位演算部30，可使電源信號短時間地收斂為目標值，以及/或者，可抑制電源信號的變動。

數位演算部亦可包括：減法器，生成誤差信號，該誤差信號表示數位觀測值與基準值的誤差；定標(scaling)部，將誤差信號乘以係數，該係數與反饋比計算部計算出的比相應；以及控制器，基於自定標部輸出的誤差信號而生成控制值。

藉由對誤差信號進行定標，可使系統的響應速度發生變化。

數位演算部亦可更包括：選擇器(selector)，選擇自減法器輸出的誤差信號、與自定標部輸出的誤差信號中的一者，並輸出至控制器。

藉此，可基於控制值D_OUT與數位觀測值D_M之比，來切換使系統的響應速度發生變化的狀態、與不使系統的響應速度發生變化的狀態。

反饋比計算部亦可計算以β=D_M/D_OUT提供的反饋比β，作為控制值D_OUT與數位觀測值D_M之比。定標部亦可以與反饋比β實質上成反比的方式來規定係數。

反饋比計算部亦可計算以1/β=D_OUT/D_M提供的反饋比的倒數1/β，作為控制值D_OUT與數位觀測值D_M之比。定標部亦可以與反饋比的倒數1/β實質上成正比的方式來規定係數。

數位演算部也可包括：減法器，生成誤差信號，該誤差信號表示數位觀測值與基準值的誤差；控制器，基於誤差信號，通過比例控制、比例‧積分控制、比例‧積分‧微分控制中的任一種，來生成控制值；以及係數控制部，基於反饋比計算部計算出的比，使控制器的比例係數、積分係數、微分係數中的至少一者發生變化。

通過使控制器的係數發生變化，可使系統的響應速度發生變化。

數位演算部亦可構成為可切換第1模式與第2模式，第1模式是將其演算處理的內容予以固定的模式，第2模式是根據反饋比計算部計算出的比來控制其演算處理的內容的模式。

例如當將電源裝置用於半導體測試裝置時，可預先預測系統的變動。此情況下，藉由在系統的變動之前切換成第2模式，可使電源信號穩定化。

數位演算部亦可在

(1)電源信號S_PS的起動(start up)(電源導通(ON))

(2)檢測電阻Rs的電阻值的切換

(3)負載阻抗(impedance)的變動

(4)電源電壓V_DD的目標值的變更

(5)電源電流I_DD的目標值的變更

中的至少一個事件(event)的發生之前，選擇第2模式。

類比觀測值亦可表示對電源端子供給的電壓。

類比觀測值亦可表示經由電源線而供給至電源端子的電流。電源裝置亦可包括：檢測電阻，設於電源線上；以及感測放大器(sense amplifier)，生成與檢測電阻的兩端間的電壓相應的類比觀測值。

類比觀測值亦可表示供給至電源端子的電壓、與經由電源線而供給至電源端子的電流中被選擇的一者。

本發明的另一方案是關於一種測試裝置。測試裝置包括對被測試元件供給電源信號的上述電源裝置。

根據該方案，既可抑制電源的影響，又可判定被測試元件的良否或不良處。

再者，以上的構成要素的任意組合，或者將本發明的構成要素或表達以在方法、裝置、系統等之間相互置換所得的方案，作為本發明的方案亦有效。

根據本發明的一方案，在包含負載的系統的變動時，可使電源信號高速地穩定化。

1‧‧‧DUT

2‧‧‧測試裝置

4‧‧‧電源線

6、6_V、6_I‧‧‧反饋線

10、1010‧‧‧控制對象

20‧‧‧A/D轉換器

22‧‧‧電流用A/D轉換器

24‧‧‧電壓用A/D轉換器

30、30a‧‧‧數位演算部

32‧‧‧減法器

34、34a‧‧‧控制器

36‧‧‧定標部

38‧‧‧選擇器

39‧‧‧模式控制部

40‧‧‧D/A轉換器

42‧‧‧緩衝放大器

44‧‧‧感測放大器

50‧‧‧反饋比計算部

60、64、68‧‧‧乘法器

62‧‧‧積分器

66‧‧‧微分器

70‧‧‧加法器

100、1100‧‧‧電源裝置

1022‧‧‧誤差增幅器(演算增幅器)

1024‧‧‧頻率控制控制器(控制器)

1026‧‧‧電源輸出部

1030‧‧‧寄生參數

C1‧‧‧去耦電容器

CP‧‧‧比較器

D_M、D_{M_I}、D_{M_V}‧‧‧數位觀測值

D_OUT‧‧‧控制值

DR‧‧‧驅動器

I_DD‧‧‧電源電流

K‧‧‧係數

K_D‧‧‧微分係數

K_I‧‧‧積分係數

K_P‧‧‧比例係數

P1‧‧‧電源端子

Ref‧‧‧基準值

Rs‧‧‧檢測電阻

S_PS‧‧‧電源信號

S_ERR‧‧‧誤差信號

V_M、V_{M_I}、V_{M_V}‧‧‧類比觀測值

V_OUT‧‧‧類比電壓

V_DD‧‧‧電源電壓

β‧‧‧反饋比

S100、S102、S104、S106、S200、S202、S204、S206、S208、S210、S300、S302‧‧‧步驟

圖1是示意性地表示習知的電源裝置的方塊圖。

圖2是表示具備實施方式的電源裝置的測試裝置的方塊圖。

圖3是表示數位演算部的結構例的電路圖。

圖4(a)、圖4(b)是表示反饋比β與係數K的關係的具體例的圖。

圖5是表示圖2的電源裝置的動作序列(sequence)的流程圖。

圖6(a)、圖6(b)是表示圖2的電源裝置的電流供給模式起動時的電流I_DD(D_{M_I})的波形圖。

圖7(a)、圖7(b)是表示圖2的電源裝置的電流供給模式起動時的電流I_DD(D_{M_I})的波形圖。

圖8是表示第1變形例的數位演算部的結構的圖。

以下，基於較佳的實施方式並參照圖示來說明本發明。對於各圖式中所示的相同或同等的構成要素、構件、以及處理，標註相同的標號，並適當省略重複的說明。而且，實施方式並未限定發明而為例示，實施方式中記述的所有特徵或其組合未必限於是發明的本質者。

於本說明書中，所謂「構件A與構件B連接的狀態」，除了構件A與構件B以物理方式直接連接的情況以外，還包括如下情況，即：構件A與構件B經由其他構件來間接連接，而不會對他們的電性連接狀態造成實質影響，或者不會損害藉由他們的結合而起到的功能或效果。

同樣地，所謂「構件C設於構件A與構件B之間的狀態」，除了構件A與構件C或者構件B與構件C直接連接的情況以外，還包括如下情況，即：經由其他構件來間接連接，而不會對他們的電性連接狀態造成實質影響，或者不會損害藉由他們的結合而起到的功能或效果。

圖2是表示具備實施方式的電源裝置100的測試裝置2的方塊圖。測試裝置2對DUT1給予信號，將來自DUT1的信號與期待值進行比較，以判定DUT1的良否或不良處。

測試裝置2具備驅動器(driver)DR、比較器(comparator)(時序比較器(timing comparator))CP及電源裝置100等。驅動器DR對DUT1輸出測試圖案(test pattern)信號。該測試圖案信號是由未圖示的時序產生器TG、圖案產生器PG以及波形整形器FC(Format Controller(格式控制器))等生成，並輸入至驅動器DR。DUT1輸出的信號被輸入至比較器CP。比較器CP將來自DUT1的信號與規定的臨限值進行比較，並以適當的時序來鎖存(latch)比較結果。比較器CP的輸出則被與其期待值進行比較。以上為測試裝置2的概要。

電源裝置100生成針對DUT1的電源信號S_PS，並經由電源電纜(電源線)4等供給至DUT1的電源端子P1。

本實施方式的電源裝置100是構成為可切換電壓供給(VS)模式與電流供給(IS)模式，上述電壓供給(VS)模式是將供給至DUT1的電源信號S_PS的電壓值V_DD保持固定的模式，上述電流供給(IS)模式是將電源信號的電流量I_DD保持固定的模式。

一般的電源裝置在負載急遽變動時，藉由反饋的電源信號的控制將無法追隨，輸出信號會偏離目標值。於測試裝置2中，當電源裝置的輸出信號發生變動時，會對DUT1輸出的信號造成影響。即，無法區別由比較器CP判定出的不良(Fail)是起因於 DUT1其自身，還是起因於電源裝置。

尤其，測試步驟中的DUT1的負載變動，比DUT1於出貨之後被搭載於設備(set)(電子機器)中的狀態下的負載變動大。由於該情況，對於搭載於測試裝置2中的電源裝置100，嚴格要求對於負載變動的追隨性。以下，對可適合地利用於測試裝置2的電源裝置100的結構進行說明。

電源裝置100具備A/D轉換器20、數位演算部30、D/A轉換器40、緩衝放大器(buffer amplifier)42、檢測電阻Rs、感測放大器44及反饋比計算部50。

A/D轉換器20經由反饋線6來接收類比觀測值V_M，並對該類比觀測值V_M進行類比/數位轉換，以生成數位觀測值D_M，上述類比觀測值V_M與供給至DUT1的電源端子P1的電源信號S_PS相應。

更具體而言，於電壓供給模式中，A/D轉換器20對類比觀測值V_{M_V}進行類比/數位轉換，生成數位觀測值D_{M_V}，上述類比觀測值V_{M_V}表示供給至DUT1的電源電壓V_DD。類比觀測值V_{M_V}既可為供給至DUT1的電源電壓V_DD其自身，亦可為藉由分壓將電源電壓V_DD降壓後的電壓。

於電流供給模式中，A/D轉換器20對類比觀測值V_{M_I}進行類比/數位轉換，生成數位觀測值D_{M_I}，上述類比觀測值V_{M_I}表示供給至DUT1的電源電流I_DD。例如於電源線4的路徑上，設有檢測電阻Rs。於檢測電阻Rs中，產生與電源電流I_DD成正比的壓降。感測放大器44對檢測電阻Rs的壓降進行放大，生成類比觀測值V_{M_I}。檢測電阻Rs是對應於電源電流I_DD的電流範圍(current range)而電阻值可切換的可變電阻。

A/D轉換器20包含分別將類比觀測值V_{M_V}、V_{M_I}轉換為數位觀測值的電流用A/D轉換器22以及電壓用A/D轉換器24。再者，於電流供給模式與電壓供給模式中，亦可分時地共用一個A/D轉換器。

數位演算部30藉由數位演算處理而生成數位的控制值D_OUT。數位控制值D_OUT被調節成使來自A/D轉換器20的數位觀測值D_M與規定的基準值Ref一致。例如數位演算部30可包含中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)或者現場可程式化閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等。

數位演算部30是以可變更其演算處理的內容，換言之，控制特性所構成。於本說明書中，亦將演算處理內容的控制稱作響應速度控制。例如，數位演算部30亦可基於數位觀測值D_M與基準值Ref的差分(誤差)，來進行PID(比例、積分、微分)控制。此情況下，演算處理內容的變更亦可為PID控制中的各種參數(例如增益、濾波(filter)的次數或截止(cutoff)頻率)的變更、或者演算式的變更。或者，數位演算部30亦可取代PID控制，而進行P控制、PI控制、PD控制中的任一種。

更具體而言，數位演算部30包括減法器32及控制器34。減法器32生成誤差信號S_ERR，該誤差信號S_ERR表示數位觀測值D_M與基準值Ref的誤差。控制器34基於誤差信號S_ERR，藉由(1)比例(P)控制、(2)比例‧積分(PI)控制、(3)比例‧積分‧微分(PID)控制中的任一種，生成控制值D_OUT。

D/A轉換器40對控制值D_OUT進行數位/類比轉換，將其結果獲得的類比電壓V_OUT作為電源信號S_PS，並經由電源線4而供給至被測試元件1的電源端子P1。於D/A轉換器40的後段，設有低輸出阻抗的緩衝放大器42。

反饋比計算部50計算作為控制值D_OUT與數位觀測值D_M之比的反饋比β或其倒數。

電壓供給模式中的反饋比β_V是以β_V=D_{M_V}/D_OUT...(1a)

來提供。而且，電流供給模式中的反饋比β_I是以β_I=D_{M_I}/D_OUT...(1b)

來提供。

數位演算部30是基於反饋比β_V、β_I(或其倒數)而可變更其演算處理的內容所構成。演算處理的內容包括於生成控制值D_OUT時使用的參數或演算方法等。具體而言，數位演算部30 以反饋比β越小則響應速度越高，反體比β越大則響應速度越低的方式，變更演算處理的內容。自其他觀點而言，對應於反饋比β，數位演算部30的頻率特性發生變化。

圖3是表示數位演算部30的結構例的電路圖。

數位演算部30除了減法器32、控制器34以外，還包括定標部36、選擇器38及模式控制部39。

定標部36將誤差信號S_ERR乘以與反饋比β相應的係數K。係數K亦可定義為以反饋比β為引數的函數f(β)。

最簡單地說，係數K亦可與反饋比β實質上成反比。即，係數K亦可以與反饋比β的倒數成正比的方式，依照式(2a)、式(2b)而定。不過a_V、a_I為常數。

K_V=a_V/β_V...(2a)

K_I=a_I/β_I...(2b)

圖4(a)、圖4(b)是表示反饋比β與係數K的關係的具體例的圖。圖4(a)中，K與β成反比。此情況下，需要除法演算，因此需要用於計算係數K的除法器。圖4(b)中，根據β的範圍，選擇離散性的係數K。此情況下，可藉由參照表(table)來設定係數K，或者可藉由位元移位(bit shift)來計算係數K，因此不需要除法器。

於變形例中，反饋比計算部50亦可依照式(3a)、式(3b)來計算反饋比的倒數1/β。

1/β_V=D_OUT/D_{M_V}...(3a)

1/β_I=D_OUT/D_{M_I}...(3a)

此情況下，定標部36亦可基於由反饋比計算部50計算出的反饋比的倒數1/β，更具體而言，藉由將倒數1/β乘以係數a，以計算係數K。此情況下，可用乘法器來替換用於計算係數K的除法器，從而可節約硬體資源(hardware resource)。

再者，係數K未必需要與反饋比β成反比，只要基於模擬(simulation)或者實測，以作為系統的控制量的電源信號S_PS的變動變小的方式來規定即可。

選擇器38接收來自減法器32的誤差信號S_ERR與來自定標部36的誤差信號S_ERR，於第1模式中選擇前者，於第2模式中選擇後者。模式控制部39控制第1模式與第2模式。例如，模式控制部39在包含DUT1及電源裝置100的系統整體為穩定的通常狀態下，選擇第1模式。模式控制部39在應提高電源裝置100的響應速度的事件的發生之前，選擇第2模式。模式控制部39於選擇第2模式後，當系統穩定時，選擇第1模式。

作為應提高響應速度的事件，例示如下。

(1)電源信號S_PS的起動(電源導通)

(2)檢測電阻Rs的電阻值的切換

(3)負載阻抗的變動

(4)電源電壓V_DD的目標值的變更

(5)電源電流I_DD的目標值的變更

以上為電源裝置100的結構。繼而說明其動作。

圖5是表示圖2的電源裝置100的動作序列的流程圖。於第1模式ψ 1中，重複以下動作。

‧由A/D轉換器20獲取數位觀測值D_M(S100)

‧由數位演算部30生成誤差信號S_ERR(S102)

‧由控制器34生成控制值D_OUT(S104)

‧由D/A轉換器40生成類比電壓V_OUT(S106)

於第2模式ψ 2中，重複以下動作。

‧由A/D轉換器20獲取數位觀測值D_M(S200)

‧由數位演算部30生成誤差信號S_ERR(S202)

‧由反饋比計算部50計算反饋比β(S204)

‧由數位演算部30進行響應速度控制(S206)

‧由控制器34生成控制值D_OUT(S208)

‧由D/A轉換器40生成類比電壓V_OUT(S210)

模式控制部39根據系統的狀態，來切換第1模式ψ 1與第2模式ψ 2。具體而言，當發生上述的任一事件時，在該事件之前切換為第2模式ψ 2(S300)，當系統穩定化時，恢復為第1 模式ψ 1(S302)。

圖6(a)、圖6(b)是表示圖2的電源裝置100的電流供給模式起動時的電流I_DD(D_{M_I})的波形圖。縱軸表示相對於目標值Ref之比。圖6(a)表示選擇第1模式ψ 1，未進行數位演算部30的響應速度控制時的動作，圖6(b)表示選擇第2模式ψ 2，進行數位演算部30的響應速度的控制時的動作。DUT1的阻抗為0Ω。

如圖6(a)所示，未進行數位演算部30的響應速度控制時，數位觀測值D_{M_I}達到目標值Ref的99%所需的安定(settling)時間為66μs。與此相對，當基於反饋比β來進行數位演算部30的響應速度控制時，如圖6(b)所示，安定時間可縮短至60μs。

該效果於負載阻抗變大時變得更為顯著。圖7(a)、圖7(b)是表示圖2的電源裝置100的電流供給模式起動時的電流I_DD(D_{M_I})的波形圖。DUT1的阻抗為64kΩ。

如圖7(a)所示，未進行數位演算部30的響應速度控制時，數位觀測值D_{M_I}達到目標值Ref的99%所需的安定時間為4.7ms。與此相對，當基於反饋比β來進行數位演算部30的響應速度控制時，如圖7(b)所示，安定時間可縮短為60μs。

如此，根據實施方式的電源裝置100，藉由計算反饋比β或其倒數1/β，推定負載的狀態，並藉由基於其結果來控制數位演算部30的響應速度，可使電源信號S_PS在短時間收斂為目標值。

而且，如圖6(a)以及圖7(a)所示，未進行數位演算部30的響應速度控制時，安定時間對應於DUT1的阻抗而發生變化。與此相對，藉由進行數位演算部30的響應速度控制，不論DUT1的阻抗值等系統的狀態如何，均可將安定時間保持為固定。

於圖6(a)、圖6(b)以及圖7(a)、圖7(b)中，對電流供給模式進行了說明，但對於電壓供給模式，亦可獲得同樣的效果。

以上，基於實施方式說明了本發明。該實施方式為例示，其各構成要素或各處理製程(process)、及其組合可存在各種變形例。以下，對此種變形例進行說明。

(變形例1)

圖8是表示第1變形例的數位演算部30a的結構的圖。

數位演算部30a的控制器34a為PID控制器。乘法器60將誤差信號S_ERR乘以比例係數K_P。積分器62對誤差信號S_ERR進行積分。乘法器64將積分器62的輸出乘以積分係數K_I。微分器66對誤差信號S_ERR進行微分。乘法器68將微分器66的輸出乘以微分係數K_D。加法器70將乘法器60、64、68的輸出相加，生成控制值D_OUT。

於該結構中，控制器34a的乘法器60、64、68基於反饋比β(或其倒數)，使比例係數K_P、積分係數K_I、微分係數K_D中的至少一者發生變化。係數既可藉由演算處理來計算，亦可參照預定的表。

藉由該變形例，亦可獲得與實施方式同樣的效果。進而，可使係數K_P、K_I、K_D具備不同的β依存性，因此與實施方式的數位演算部30相比，可進行更最合適的控制。

(變形例2)

圖8的數位演算部30a作為與β相應的演算處理內容的控制，亦可切換PID、P、PI、PD等的控制方式自身演算。

(變形例3)

實施方式中，對可切換電壓供給模式與電流供給模式的電源裝置100進行了說明，但本發明亦可適用於僅能以電壓供給模式或者僅能以電流供給模式來動作的電源裝置。

(變形例4)

實施方式中，為可切換第1模式與第2模式，且對在系統造成變動的規定事件的發生時，選擇第2模式的情況進行了說明，但平時亦可以第2模式進行動作。

基於實施方式說明了本發明，但實施方式不過是表示本發明的原理、應用，於實施方式中，在不脫離申請專利範圍所規定的本發明的思想的範圍內，允許多個變形例或配置的變更。