作者：Jens Wallmann

　　集成電路(IC)的需求比以往任何時候都更大，因為它們可以降低硬件開發成本，促進電子設備的小型化，并提供廣泛的功能。為了確保大批量生產的質量，半導體制造商需要可靠且緊湊的自動化測試設備 (ATE)，該設備能夠以低信號電平和高信號電平以及最小損耗快速切換高頻交流和直流電流。

　　基于光伏 MOSFET 的固態繼電器 (SSR) 非常適合 IC 測試儀和 ATE 應用。它們的微型尺寸和無磨損特性特別有趣。

　　本文簡要討論 ATE 要求。然后介紹松下PhotoMOS 系列 SSR 中不同類型的光伏 MOSFET 繼電器，并重點介紹它們在元件幾何形狀和開關特性方面的差異。加速開/關切換和減少 PhotoMOS 特定漏電流的設計技巧對本主題進行了總結。

　　高封裝密度和短信號路徑

　　自動 IC 測試儀使用密集的針適配器(探針卡)與被測設備 (DUT) 接觸，以執行功能測試。測試頭中的模塊生成和分配高速測試脈沖、提供適當的電壓并切換測量通道。每次測試都必須在有限的空間內進行，以盡量減少線路損耗、信號傳播時間、干擾和通道串擾。

　　對于此任務，設計人員可以使用小型開關元件，例如 Panasonic 的AQ 系列繼電器。例如，電壓控制 CC 型AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR 采用 TSON 封裝，面積為 3.51 平方毫米 (mm 2 ) (1.95 × 1.80 mm)(圖 1)。它使用電容耦合提供 200 伏隔離保護，并且采用電壓控制，僅需要 1.2 毫瓦 (mW) 的控制功率。

　　圖 1：所示為 AQ 系列小信號 PhotoMOS 繼電器的外殼尺寸;尺寸以毫米為單位。 (圖片來源：松下，作者修改)

　　電流控制 RF 型AQY221R6TW PhotoMOS 繼電器的占地面積僅為 3.8 mm2，但其 VSSOP 外殼比 AQY2C1R6PX 高 3.6 倍。它僅需要 75 mW 的控制功率，并使用光耦合提供 200 伏的保護隔離。CC 和 RF 類型的漏電流 (I Leak ) 非常低，為 10 納安 (nA)。

　　圖2顯示了電容耦合CC型繼電器(左)和光耦合RF型繼電器(右)的電路原理。

　　圖2：AQY2C1R6PX CC型PhotoMOS SSR(左)采用電容耦合，電壓驅動; AQY221R6TW RF 型(右)采用光耦合且電流驅動。 (圖片來源：松下，作者修改)

　　GE 型AQV214EHAX還使用光耦合，并在控制電路 (IN) 和負載電路 (OUT) 之間提供高達 5 kV 的顯著更高的保護絕緣。它采用更大的 6-SMD 封裝，尺寸為 8.8 mm x 6.4 mm，帶有鷗翼引線。 GE 系列 SSR 僅需要 75 mW 控制功率，可在最高 400 伏電壓下開關負載電流高達 150 mA。

　　優化接觸電阻和輸出電容

　　正如半導體的典型情況一樣，SSR 具有“導通”電阻 (R on ) 和輸出電容 (C out )，分別會導致熱損失和漏電流。不同的繼電器類型根據要切換的信號類型對其中一種或另一種進行優化。

　　具有特別低 R on的 SSR 類型在切換高頻交流測試脈沖時會導致較小的衰減。具有低 C輸出的SSR可以更準確地測量直流信號，而具有高 C輸出的 SSR適合切換更高的功率電平。圖 3 顯示了一個自動化半導體測試系統，并說明了哪些 PhotoMOS 繼電器類型最適合測試頭測量模塊中的各種信號路徑。

　　圖 3：該自動化半導體測試系統的每個信號路徑都需要特定的 PhotoMOS 繼電器類型。 (圖片來源：松下)

　　AQY2C1R3PZ和AQY221N2TY PhotoMOS 繼電器分別具有 1.2 和 1.1 皮法 (pF)的低C。這使得它們能夠在長達 10 和 20 微秒 (μs) (AQY2C1R3PZ) 以及 10 和 30 μs (AQY221N2TY) 的時間內打開和關閉。兩個繼電器的權衡是分別增加 R on、10.5 和 9.5 Ω，從而導致更高的損耗和元件發熱。這些 PhotoMOS 繼電器非常適合以低電流快速切換測量信號，并且它們對高頻信號產生的反射/相移較小。

　　前面討論的AQY2C1R6PX和AQY221R6TW更適合切換速度較慢的電源信號和電流較高的電源電壓。雖然它們較低的 R on會導致較少的元件發熱，但它們較大的 C out對信號有積分效應。

　　最大限度地減少信號失真

　　僅代表簡單開/關開關(1 型 A)的半導體繼電器是用于交流信號的光電三端雙向可控硅開關元件或用于脈動直流信號的具有雙極晶體管的光耦合器的示例。由于閾值、點火電壓和開關延遲，這些器件會導致負載信號失真。此外，反向恢復電流會產生諧波過沖(振鈴)和數 10 至 100 毫安 (mA) 的漏電流。

　　Panasonic PhotoMOS 繼電器中帶有驅動電路的 FET 半橋最大限度地減少了這些信號失真，因此適合交流和直流小信號(例如高速測試脈沖、測量信號和電源電壓)的低損耗切換。關閉時，兩個 OUT 連接之間的漏電流低于 1 微安 (μA)。

　　PhotoMOS 繼電器有 A 型(單刀、單擲、常開觸點 (SPST-NO))或 B 型(常閉觸點、SPST-NC)以及多種形式。設計人員可以構建 C 型開關，例如單刀雙擲 (SPDT);單極轉換開關;以及將 A 型和 B 型器件組合而成的雙刀雙擲 (DPDT) 開關。

　　例如，AQS225R2S是一款采用 SOP16 外殼的四路 PhotoMOS 繼電器 (4SPST-NO)，可在高達 80 伏的開關電壓下處理最大 70 mA 的電流。此外，AQW214SX是一款采用 SOP8 外殼的雙 PhotoMOS 繼電器 (2SPST-NO)，可在高達 400 伏的開關電壓下處理高達 80 mA 的負載電流。

　　圖 4 顯示了 SSR、PhotoMOS 和光電耦合器的內部結構及其典型信號失真。 PhotoMOS 繼電器不會在歐姆負載上造成信號削波或類似失真。

　　圖 4：SSR 和光電耦合器由于閾值和點火電壓而導致輸出信號失真; PhotoMOS 繼電器可無失真地切換交流和直流信號。 (圖片來源：松下，作者修改)

　　為了減弱電感性和電容性開關負載的反饋效應，從而保護 PhotoMOS 輸出級，設計人員必須在輸出側添加鉗位和續流二極管、RC 和 LC 濾波器或壓敏電阻。在 CC 系列中，鉗位二極管可保護輸入振蕩器免受過壓峰值影響，并將控制信號限制在 3 V 至 5.5 V，而 RC 濾波器可確保殘余紋波小于 ±0.5 V。

　　減少漏電流

　　當繼電器斷電時，PhotoMOS 繼電器的C out作為交流電和較高頻率脈沖序列的旁路。為了顯著減少此類漏電流并最大限度地提高高頻隔離度，Panasonic 建議使用 T 電路形式的三個獨立 PhotoMOS 繼電器(圖 5，左)。在主信號路徑中，兩個 1 Form A PhotoMOS 繼電器 S1 和 S2 為低 R開啟類型，而低 C輸出類型則形成 1 Form A 短路開關 S3。

　　圖 5：當 S1 和 S2 斷電時，接通的繼電器 S3 充當所有泄漏電流的短路(T 電路關閉狀態，右)。 (圖片來源：松下，作者修改)

　　T 電路接通狀態(圖 5，中心)：在 S1 和 S2 接通的情況下，它們的 R接通最小程度地衰減信號電平，而來自關閉的 S3 繼電器的低 C輸出會稍微衰減高頻(低通) )。

　　T 電路關閉狀態(圖 5，右)：如果 S1 和 S2 斷電，它們的 C輸出代表高頻旁路(高通)，但接通的 S3 繼電器會短路通過 S1 電容傳遞的信號(吸氣回路)。

　　T 電路的開/關時序必須以先斷后通 (BBM) 開關的形式實現。因此，S1 和S2 應在S3 開啟之前關閉。對于繼電器，BBM 意味著觸點單獨切換，而先通后斷 (MBB) 意味著觸點以橋接方式切換。

　　更快地切換 PhotoMOS 繼電器

　　PhotoMOS 繼電器的內部光電傳感器充當太陽能電池并提供柵極充電電流。因此，LED 發出的更亮的光脈沖可提高開關速度。例如，圖 6 中的自舉元件 R1/R2/C1 生成更高的電流脈沖。

　　圖 6：自舉元件 R1/R2/C1 提高了 PhotoMOS 繼電器的接通速度。 (圖片來源：松下)

　　C1在導通瞬間對R2起到短路作用，因此R1的低阻值允許大電流流過。如果 C1 已充電并具有高電阻，則添加 R2，從而減少流向保持電流的流量，就像磁繼電器一樣。因此，AQV204 PhotoMOS 繼電器將其接通時間從 180 μs 縮短至 30 μs。

　　結論

　　通過使用小型、無磨損的 PhotoMOS 繼電器，設計人員可以提高 ATE 應用的信號密度和測量速度，同時減少維護需求。此外，遵循推薦的設計技術可以幫助最大限度地減少漏電流和開關時間。