超越規(guī)格：更高電流的供給與測量

太陽能電池、電源管理器件、高亮度LED和RF功率晶體管的特性分析等高功率測試應(yīng)用經(jīng)常需要高電流，有時(shí)需要高達(dá)40A甚至更高的功率，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）將需要100A以上的電流。但是，通常單電源技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定的DC電流最大值是有限制的。這項(xiàng)指標(biāo)的限制通常取決于電源的設(shè)計(jì)、儀器中使用分立器件的安全工作區(qū)域，內(nèi)部印制電路板上的金屬線間距等。如果想增大電流輸出并且使用SMU（Source Measurement Unit，源測量單元），可以采用多種測試模式和多個(gè)通道。

雖然DC電流源通常不允許使用脈沖輸出，但是可以自己搭建脈沖電路。對于MOSFET或IGBT等功率器件的測試來說，脈沖源常常十分重要，因?yàn)镈C測試電流會(huì)使DUT的電阻值因焦耳熱產(chǎn)生偏移。雖然可以使用高功率脈沖發(fā)生器，但是它們不具備內(nèi)建測量功能，因而高功率脈沖發(fā)生器要求用脈沖測試信號同步分立電表的工作。

脈沖掃描實(shí)現(xiàn)更高的功率
可以用脈沖掃描代替直流掃描以獲得更高功率的I-V掃描，而且不影響測試結(jié)果。但是，使用電容器等DUT時(shí)，脈沖掃描則比不上直流掃描，因?yàn)樵陔妷好}沖的陡峭邊界會(huì)產(chǎn)生較大的位移電流，進(jìn)而改變這些器件的電氣特性。另一方面，脈沖I-V測試對于得到其他類型器件的最優(yōu)測試結(jié)果（例如高功率RF功放，甚至低功率納米級器件）來說非常重要。在高功率連續(xù)波（CW）測試中，半導(dǎo)體材料本身會(huì)以熱量的形式消耗輸入功率。隨著器件中的材料變熱，傳導(dǎo)電流會(huì)降低，因?yàn)檩d流子和震動(dòng)的晶格碰撞得更頻繁（聲子散射）。因此，由于自發(fā)熱效應(yīng)使電流的測量結(jié)果被錯(cuò)誤地降低了。假定這些類型的器件通常工作在脈沖模式下（即，斷續(xù)地而不是連續(xù)地），偏低的DC電流測量結(jié)果就不能準(zhǔn)確反應(yīng)這些器件的性能。在上述情況下，必須采用脈沖測試。

從使用直流掃描轉(zhuǎn)換到使用脈沖掃描時(shí)，必須考慮以下兩個(gè)因素。脈沖必須足夠?qū)挷庞谐渥愕臅r(shí)間讓器件瞬態(tài)、導(dǎo)線連接和其他接口電路達(dá)到穩(wěn)定，以使系統(tǒng)的測量穩(wěn)定、可重復(fù)。但是，另一方面，脈沖寬度又不能超過測試儀器的最大脈沖寬度和占空比極限，從而違反儀器允許的功率占空比。脈沖過寬還會(huì)產(chǎn)生與DC掃描同樣的器件自發(fā)熱問題。

組合多條SMU通道實(shí)現(xiàn)更高DC電流
組合SMU通道實(shí)現(xiàn)更高DC電流最常用的方法是在DUT的兩端并行連接電流源，如圖1所示。

圖1 組合多條SMU通道實(shí)現(xiàn)更高DC電流

此測試設(shè)置利用了著名的電學(xué)定律（基爾霍夫電流定律），它闡明了如果兩個(gè)電流源并行連接到同一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)，那么它們的電流將相加。這兩臺(tái)SMU都輸出電流并測量電壓。這兩臺(tái)SMU的全部LO阻抗端子（FORCE和SENSE）都接地。表1提供了這一特定配置的特性概要。

應(yīng)當(dāng)將SMU1和SMU2的輸出電流設(shè)置為相同極性以獲得最大輸出。只要有可能，就將一臺(tái)SMU配置為固定源，另一臺(tái)SMU執(zhí)行掃描。這有助于讓兩臺(tái)SMU實(shí)現(xiàn)同步掃描。如果兩臺(tái)SMU都在掃描，那么它們的輸出阻抗會(huì)自然而然地變化(例如，當(dāng)儀表自動(dòng)量程擴(kuò)大或縮小時(shí))。DUT輸出阻抗還會(huì)顯著變化，例如，從高阻抗的關(guān)斷狀態(tài)到低阻抗的導(dǎo)通狀態(tài)。隨著電路中許多阻抗元件的變化，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路在每個(gè)偏置點(diǎn)上的建立時(shí)間延長。雖然這種瞬態(tài)效應(yīng)會(huì)逐漸消失，但是固定將一臺(tái)SMU作為源并將另一臺(tái)SMU用于掃描，通常可以增加穩(wěn)定性并縮短瞬態(tài)測量返回穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的測試吞吐量。

融合脈沖掃描與多條組合的SMU通道
新的SMU架構(gòu)簡化了脈沖掃描法的功率增強(qiáng)優(yōu)勢與多條SMU通道并行工作的融合。例如，某些雙通道SMU支持SMU通道數(shù)量從雙通道增至四通道。使用脈沖掃描以及多通道功能輸出的電流比使用一臺(tái)SMU和DC掃描輸出的電流更高。顯然，實(shí)現(xiàn)該測試方法要格外注意保證人身安全。為了安全起見，隔離或安裝障礙物對于防止用戶接觸帶電電路來說非常重要。需要額外的保護(hù)技術(shù)防止損壞測試設(shè)置或DUT。多路脈沖必須緊密同步（達(dá)到納秒級精度），從而一臺(tái)設(shè)備不會(huì)提前上電并會(huì)損壞其他還沒上電的單元。

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圖2給出了吉時(shí)利工程師使用一臺(tái)SMU產(chǎn)生10A脈沖的實(shí)驗(yàn)舉例的結(jié)果，此結(jié)果用示波器觀察。測試DUT采用高功率精密電阻器（0.01W，±0.25%，KRL R-3274），脈沖寬度為300μs。示波器示出了幅度為0.1V（10A×0.01Ω）寬度為300μs的近似方波。組合4臺(tái)并行的SMU輸出40A脈沖至相同的DUT得到0.4V幅度的波形和通道之間的緊密同步（低抖動(dòng)）。采用相同的測試設(shè)置和脈沖波形就能驗(yàn)證脈沖的一致性。

圖2 使用一臺(tái)SMU產(chǎn)生10A脈沖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用脈沖性能驗(yàn)證，工程師設(shè)置了4臺(tái)組合SMU的脈沖掃描并取P-N二極管DUT上的I-V曲線（如圖3所示）。值得注意的是，一臺(tái)SMU的DC掃描達(dá)到3A與一臺(tái)SMU的脈沖掃描達(dá)到10A的相關(guān)性。從而，工程師將可實(shí)現(xiàn)的I-V曲線擴(kuò)展至40A。

圖3 I-V曲線

此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了4臺(tái)SMU通道和脈沖組合在二端器件（電阻器和二極管）上實(shí)現(xiàn)40A的有效性。通過修改，該技術(shù)在用于測試高功率MOSFET等三端器件時(shí)同樣有效。

使用多臺(tái)SMU的脈沖掃描方法時(shí)，以下幾種實(shí)施因素對于最大程度提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度來說至關(guān)重要。

● 使用源回讀：SMU的源和測量功能內(nèi)建在同一單元中，因此能用其測量電路回讀施加電壓的真實(shí)值。源電壓的設(shè)置值與施加到DUT的實(shí)際電壓不一定相等；使用多臺(tái)并行的SMU，源的偏移量可能累加達(dá)到很大，所以使用源回讀能清晰了解實(shí)際的源電平，而不僅僅是設(shè)置電壓。

● 四線測量：四線（Kelvin）測量在進(jìn)行大電流測試時(shí)非常必要，因?yàn)榇思夹g(shù)通過將兩條極高阻抗的電壓感測（SENSE）線接至DUT，避開了測試線壓降。由于SENSE線上的電流非常小，從SENSE端子看到的電壓基本等于未知電阻兩端的電壓。在40A電流條件下，即便測試線纜有極低的電阻，如10mΩ，都會(huì)產(chǎn)生0.4V的壓降。所以，如果SMU在40A電流條件下施加1V電壓并且線纜電阻為10mΩ并采用兩條測試線，那么DUT可能僅得到0.2V的電壓，其中測試線纜上有0.8V的壓降。

與主要影響源值的源回讀不同，4線測量由于消除了可能影響測量結(jié)果的載流線壓降，所以能得到準(zhǔn)確度高得多的源值和測量值。

● 每個(gè)DUT節(jié)點(diǎn)只放置一個(gè)電壓源：在許多測試序列中，電壓掃描（施加電壓）和測量電流（FVMI）很常見。在一臺(tái)以上的SMU并行連接至器件一個(gè)端子的情況下，就將全部SMU置為電壓源模式并測量電流。但是，必須考慮以下三個(gè)因素：

① 輸出電壓的SMU處于極低阻抗?fàn)顟B(tài)。

② DUT的阻抗可能高于處在電壓源模式下SMU的阻抗。DUT的阻抗可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的，并且在測試序列期間會(huì)改變。

③ 即使當(dāng)全部并行的SMU都設(shè)置輸出同等電壓時(shí)，SMU之間存在著與儀器電壓源準(zhǔn)確度有關(guān)的微小變化，這意味著SMU通道之一會(huì)比其他通道的電壓略低（毫伏級的幅度）。所以，如果3臺(tái)并行的SMU連接到DUT的一個(gè)端子，并且每臺(tái)SMU施加電壓和輸出接近最大值的電流，并且DUT處于高阻態(tài)，那么所有電流將流向輸出電壓略低的那臺(tái)SMU并很可能損壞它。因此，當(dāng)并行的SMU連至DUT的一個(gè)端子時(shí)，必須僅一臺(tái)SMU輸出電壓。參見圖4，了解并行SMU連接的正確方法和錯(cuò)誤方法。

圖4 并行SMU連接的錯(cuò)誤配置和正確配置

圖4a：這種錯(cuò)誤配置可能出現(xiàn)高電流并損壞源電壓略低于其他SMU的那臺(tái)SMU。圖4b:這種準(zhǔn)Kelvin配置，雖然不存在和第一種配置同樣的儀器損壞風(fēng)險(xiǎn)，但引入了附加的測量誤差，該誤差必須記入系統(tǒng)誤差計(jì)劃中，而且限制了此SMU的最大輸出。圖4c:這種“混合”方法能防止SMU損壞并支持增加SMU電流源，以達(dá)到應(yīng)用的電流源要求。

● 減輕由于接觸故障造成過高能耗：當(dāng)兩臺(tái)具有同等輸出容量的SMU并行接到電路的單個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，一臺(tái)SMU必須能吸收另一臺(tái)SMU輸出的全部電流。例如，當(dāng)其中一條測試線斷開與器件的連接時(shí)（例如，當(dāng)測試線突然斷開或接觸不當(dāng)時(shí)），有可能出現(xiàn)這種情況。這意味著，在一小段時(shí)間內(nèi)，一臺(tái)SMU必須吸收另一臺(tái)SMU的電流。但是，當(dāng)兩臺(tái)以上的SMU并聯(lián)至一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)時(shí)，一臺(tái)SMU就不能吸收其他SMU的全部電流。如果與器件的連接斷開，被迫吸收電流的SMU正處于最低電位或最低阻抗，而且很有可能正在輸出電壓。為了保護(hù)施加電壓SMU的信號輸入，可以使用諸如1N5820的二極管。推薦使用二極管的原因是因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲反應(yīng)太慢了，不能提供保護(hù)，而且使用電阻器將造成電阻器上的壓降過大。二極管的響應(yīng)比保險(xiǎn)絲快得多，而且其上的最大壓降比電阻器小得多（典型值約為1V）。但是，為了讓這種方法真正安全，必須使用二極管保護(hù)所有在電路配置中的SMU。這是因?yàn)?，如果DUT進(jìn)入高阻狀態(tài)，那么電流源試圖將電流施加到正在輸出電壓的SMU，但是這種情況對于采用二極管保護(hù)的正在輸出電壓的SMU來說不可能出現(xiàn)。這會(huì)使輸出電流的SMU提高其輸出電壓，直至達(dá)到其電壓極限。一旦出現(xiàn)這種情況，電流源將不得不順應(yīng)并成為電壓源。這就意味著，現(xiàn)在有多個(gè)并行的電壓源。即使它們的電壓極限設(shè)置為完全相同，但是它們的輸出還可能略微不同并有可能互相損壞。

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重要的是，需要注意將每臺(tái)儀器安裝一顆二極管并且配置中的每臺(tái)SMU都受到影響。首先，電路配置中包含二極管就意味著這種方法只能用于輸出功率，但是不能吸收功率，因?yàn)槎O管不允許電流流進(jìn)SMU。第二個(gè)影響是，為了獲得最大輸出電壓，需要繞過二極管使用4線連接電流源，因?yàn)槎O管的壓降會(huì)使電流源提前達(dá)到順應(yīng)狀態(tài)。在這些電流幅度上，二極管壓降的典型值約為1V。

結(jié)論
對于寬范圍的電子器件，SMU提供了一種設(shè)計(jì)測試和測量系統(tǒng)的簡單、集成度高的方法。越來越多的測試應(yīng)用需要源和/或測量更高電流的能力，本文介紹的技術(shù)提供了組合分立源與測量儀器的實(shí)用、經(jīng)濟(jì)有效的替代方法。欲獲知關(guān)于實(shí)現(xiàn)高電流測試配置的更多技術(shù)信息，請到www.keithley.com/data?asset=52630下載編號為3047的應(yīng)用筆記:“用I-V測量設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高電流的方法”。

附：接線與測試設(shè)備安全性的考慮

通常，測試接線和測試連接都必須使DUT和SMU之間的電阻值（R）、電容值（C）和電感值（L）達(dá)到最小。為了使電阻值最小化，在任何可能的地方并且肯定在測試設(shè)備之內(nèi)，使用較大規(guī)格的電線。需要的規(guī)格取決于承載電流的幅度；例如，對于必須承載40A的接線，大概需要12號的線纜。

低阻線纜對于防止儀器損壞非常重要。選擇低于30mΩ/m的電纜或更低電阻值的線纜用于10A脈沖。讓電纜長度盡量短，并且永遠(yuǎn)使用低電感電纜（例如，雙絞線對或低阻抗同軸型）、大規(guī)格電纜以限制線纜上的壓降。通過檢查SMU電壓輸出的裕量指標(biāo)以確保該壓降沒有過大。例如，如果使用2602A型SMU輸出20V，那么測試線的壓降不應(yīng)超過3V才能避免測試結(jié)果不準(zhǔn)確或儀器損壞。規(guī)定HI和SENSE HI端子間的最大電壓為3V并且LO和SENSE LO端子間的最大電壓為3V。

雖然許多人認(rèn)為防護(hù)能最大程度降低線纜的充電效應(yīng)，但這通常是高壓測試而不是高電流測試需要關(guān)心的。四線Kelvin連接必須盡可能靠近DUT；每毫米長度得到的測量結(jié)果都會(huì)不同。

而且，應(yīng)當(dāng)注意的是，應(yīng)當(dāng)用SMU施加電壓進(jìn)行電壓回讀，因?yàn)檎谳敵鲭娏鞯腟MU的電壓讀數(shù)由于連接的情況會(huì)有很大變化，而且與DUT上實(shí)際看到的不同。

測試設(shè)備上使用的插座必須是知名的高質(zhì)量插座。例如，某些紅色插座使用大量鐵制材料以獲得紅色效果，但由于導(dǎo)電會(huì)導(dǎo)致不可接受的大量泄漏。插座之間的電阻值應(yīng)當(dāng)盡可能高，而且在任何情況下都大于1010Ω。

當(dāng)測試FET或IGBT時(shí)，往往推薦在SMU和器件柵極之間加入電阻器。當(dāng)大量脈沖電流經(jīng)過這些類型的器件時(shí)，它們?nèi)菀桩a(chǎn)生振蕩。在柵極插入電阻器會(huì)衰減這些振蕩，因此使測量穩(wěn)定；由于柵極不吸收更多的電流，所以電阻器不會(huì)導(dǎo)致較大的壓降。

如果測試序列中使用的電壓超過40V，那么測試設(shè)備和SMU必須安裝適當(dāng)?shù)幕ユi并按照正常的安全規(guī)程操作。

許多電氣測試系統(tǒng)或儀器都能測量或輸出危險(xiǎn)的電壓和功率電平。在單錯(cuò)誤的情況下（例如，編程錯(cuò)誤或儀器故障）也可能輸出危險(xiǎn)電平，甚至系統(tǒng)提示當(dāng)前沒有危險(xiǎn)。對于保護(hù)操作人員在任何時(shí)候都遠(yuǎn)離所有危險(xiǎn)來說，這些高電平非常關(guān)鍵。保護(hù)方法包括：

● 使用前，仔細(xì)驗(yàn)證測試方案的操作。

● 設(shè)計(jì)測試固定裝置以防操作人員接觸任何危險(xiǎn)電路。

● 確保被測器件完全封閉，以保護(hù)操作人員免受飛濺碎片的傷害。

● 操作人員可能接觸到的所有電氣連接都必須雙重絕緣。雙重絕緣可以在其中一個(gè)絕緣層失效后還能確保操作人員的安全。

● 當(dāng)測試裝置蓋打開時(shí)，使用可靠性高的失效-安全互鎖開關(guān)斷開電源。

● 只要可能，盡量采用自動(dòng)機(jī)械手，進(jìn)而操作人員無須接觸測試裝置的內(nèi)部以及打開防護(hù)。

● 為系統(tǒng)的全部用戶提供適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，讓大家理解所有潛在危險(xiǎn)并知道如何保護(hù)自己不受傷害。測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師、集成工程師和安裝工程師的責(zé)任是確保對于操作人員和維護(hù)人員的保護(hù)非常到位而且有效。