簡介

由于人工智能 (AI)、5G、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和電動汽車 (EV) 的快速發(fā)展，近年來對半導(dǎo)體測試儀和自動測試設(shè)備(ATE) 的需求持續(xù)增長。這些行業(yè)的芯片越來越復(fù)雜，因此需要更強大、更精確的 ATE 來進行測試。在設(shè)計半導(dǎo)體測試設(shè)備的電源時，隨著這些測試儀的復(fù)雜性不斷增加，通常會導(dǎo)致電流要求不斷提高，并需要考慮許多其他特殊注意事項。

選擇直流/直流轉(zhuǎn)換器時，通常對噪聲和頻率有嚴格的要求，以避免影響設(shè)備的測量能力。同樣，許多測試儀使用高功率 FPGA，后者通常需要低紋波內(nèi)核電源軌。最重要的是，半導(dǎo)體測試設(shè)備追求盡可能高的功率密度和盡可能小的設(shè)計尺寸。本文介紹了使用降壓穩(wěn)壓器為半導(dǎo)體測試和 ATE 提供電源時所面臨的常見設(shè)計挑戰(zhàn)。

表 1 列出了推薦用于半導(dǎo)體測試和 ATE 電源設(shè)計的直流/直流降壓穩(wěn)壓器，其中包括具有外部頻率同步功能的模塊（集成電感器）和轉(zhuǎn)換器（集成 FET、獨立電感器）。

表 1. 半導(dǎo)體測試和 ATE 電源管理器件

利用模塊設(shè)計減小尺寸

為了簡化電源設(shè)計并更大限度地減小 PCB 尺寸，請使用降壓模塊而不是降壓轉(zhuǎn)換器。以 TPSM843620 和轉(zhuǎn)換器版本 TPS543620 為例：測得的 TPS543620 轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計總尺寸約為 100.8mm2，而測得的 TPSM843620 模塊電路設(shè)計僅為 66mm2，尺寸減小了 44%。圖 1 展示了尺寸減小情況。TPS543620 和 TPSM843620 的 PCB 設(shè)計尺寸均根據(jù)數(shù)據(jù)表中針對相同應(yīng)用的建議進行選擇。

圖 1. TPS543620 和 TPSM843620 之間的PCB 尺寸比較

電源挑戰(zhàn)— 功率密度

對于 ATE 電源設(shè)計，隨著功率需求增加，電路板面積和 Z 高度通常是限制因素。因此，通常會為負載點設(shè)計選擇電源模塊，因為這些模塊可實現(xiàn)盡可能小的 X-Y 尺寸。

TI 的新型 TPSM843B22 降壓模塊是一款支持電源設(shè)計人員優(yōu)化功率密度設(shè)計的器件。該器件采用 6.5mm × 7.5mm 封裝，提供 20A 電流，并具有蝶形布局。當(dāng)與集成電感器結(jié)合使用時，該布局可實現(xiàn) 212mm2 的優(yōu)化對稱布局并采用僅 4mm 高的超模壓封裝，如圖 2 所示。圖 3 展示了該器件的示例 PCB 布局的對稱性質(zhì)。借助這種對稱設(shè)計，能夠以最低的成本實現(xiàn)更高的功率密度和更佳的熱性能。

圖 2. 超模壓 TPSM843B22 封裝

圖 3. TPSM843B22 示例 PCB 布局

電源挑戰(zhàn)—低噪聲排放

半導(dǎo)體測試儀中使用的許多 ADC、DAC 和 AFE 都需要具有極低電壓紋波或 1/f 噪聲水平的負載點 (PoL) 電源。過去，設(shè)計人員使用直流/直流轉(zhuǎn)換器降低電壓，然后使用 LDO 對 PoL 電源進行平滑處理，從而解決了該問題。這種方法的問題在于，添加 LDO 會增加所需的布板空間，并導(dǎo)致設(shè)計效率降低。

借助 TPSM8291x 系列器件，設(shè)計人員能夠完全放棄 LDO，而僅使用降壓模塊，從而在不犧牲效率的情況下實現(xiàn)出色的功率密度和噪聲性能。

該器件的控制器設(shè)計為在 100Hz 至 100kHz 范圍內(nèi) 1/f 噪聲規(guī)格小于 20μVRMS。這樣低頻噪聲和所有相關(guān)諧波就不會影響 PoL 電壓。1/f 噪聲的衰減可以通過調(diào)整連接到 NR/SS 引腳的電容來實現(xiàn)。TPSM8291x 系列還具有集成環(huán)路補償功能，允許設(shè)計人員添加第二級 L-C 濾波器。這使得能夠在反饋環(huán)路內(nèi)添加鐵氧體磁珠，從而將輸出紋波降低至 < 10μVRMS。這項功能非常實用，可實現(xiàn)非常安靜的 PoL 電源軌。

該器件還支持可選的展頻調(diào)制。雖然一些測試儀追求頻率信號的可預(yù)測性和一致性，但展頻功能的頻率隨機化使設(shè)計人員能夠?qū)?EMI 和電壓紋波分散到更寬的頻帶上，從而降低紋波或 EMI 信號中的任何峰值。圖 4 展示了展頻對 VOUT 紋波快速傅里葉變換(FFT) 的影響。圖 5 展示了鐵氧體磁珠能夠放置在基于集成補償網(wǎng)絡(luò)的反饋環(huán)路內(nèi)的位置。

圖 4. TPSM82913 12VIN 至 3.3VOUT、1A、2.2MHz 時的 VOUT 紋波 FFT

圖 5. 采用集成式鐵氧體磁珠濾波器補償?shù)牡湫?TPSM82913 應(yīng)用

電源挑戰(zhàn)—效率

效率也是 ATE 電源設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。使用效率較差的降壓設(shè)計會消耗過多的能量，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)熱問題。

TI 的新型 TPSM843620 是一款高效的 6A 降壓模塊，輸入電壓范圍為 4V 至 18V，輸出電壓范圍為 0.5V至 5.5V，輸出電流為 6A，并且封裝尺寸較小 (3.5mm× 3.5mm× 1.6mm)。如圖 6 所示，該器件在以 1MHz 開關(guān)頻率進行 12V 到 3.3V 的轉(zhuǎn)換時，可實現(xiàn)約 92% 的效率。

圖 6. TPSM843620 在 12VIN 時的效率

電源挑戰(zhàn)—監(jiān)測電源參數(shù)

為了進行監(jiān)控或簡化調(diào)試，有時在 ATE 電源設(shè)計中首選具有 PMBus 等數(shù)字接口的降壓穩(wěn)壓器，尤其是用于更高電流的電源軌時。通過將降壓穩(wěn)壓器與帶有遙測功能的 PMBus 接口搭配使用，可以輕松監(jiān)控實時輸出電壓并進行高精度電壓調(diào)節(jié)。

圖形用戶界面 (GUI) 可以監(jiān)控溫度和輸出電流等各種參數(shù)，并可針對過警告和過故障設(shè)置不同的響應(yīng)。該工具可在 Fusion Digital Power Designer 工具頁面中找到。圖 7 展示了可在其中更改規(guī)格和修改直流/直流穩(wěn)壓器的 GUI 屏幕。

圖 7. 監(jiān)視器屏幕

因此，即使相關(guān)的 FPGA 不使用 PMBus 與直流/直流模塊進行通信，PMBus 也是一個很有吸引力的選項。設(shè)計人員無需調(diào)整無源器件，即可在原型設(shè)計和測試階段通過數(shù)字方式更改參數(shù)，并在最終生成電路板時通過引腳配件來將所有外部無源器件設(shè)置為控制運行。這可以在原型設(shè)計過程中節(jié)省大量焊接時間和麻煩，從而在開發(fā)過程中節(jié)省時間和成本。

TPSM8S6C24 是 TI 的新款 35A 降壓模塊，具有 PMBus 和遙測功能以及擴展安全功能，輸入電壓范圍為 2.95V至 16V，輸出電壓為 0.5V 至 3.6V。擴展安全功能通過提供寫入鎖定保護來盡可能地減少錯誤或惡意寫入命令的風(fēng)險，無需重新設(shè)計硬件，只需少量固件修改即可實現(xiàn)。

結(jié)語

設(shè)計 ATE 電源需要考慮設(shè)計尺寸、噪聲排放、效率和電源參數(shù)監(jiān)測。TI 提供廣泛的降壓模塊和轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品系列，能夠有效解決從 3A 到 140A 負載電流要求的各種電源設(shè)計難題。