作者：Jens Wallmann

　　集成电路(IC)的需求比以往任何时候都更大，因为它们可以降低硬件开发成本，促进电子设备的小型化，并提供广泛的功能。为了确保大批量生产的质量，半导体制造商需要可靠且紧凑的自动化测试设备 (ATE)，该设备能够以低信号电平和高信号电平以及最小损耗快速切换高频交流和直流电流。

　　基于光伏 MOSFET 的固态继电器 (SSR) 非常适合 IC 测试仪和 ATE 应用。它们的微型尺寸和无磨损特性特别有趣。

　　本文简要讨论 ATE 要求。然后介绍松下PhotoMOS 系列 SSR 中不同类型的光伏 MOSFET 继电器，并重点介绍它们在元件几何形状和开关特性方面的差异。加速开/关切换和减少 PhotoMOS 特定漏电流的设计技巧对本主题进行了总结。

　　高封装密度和短信号路径

　　自动 IC 测试仪使用密集的针适配器(探针卡)与被测设备 (DUT) 接触，以执行功能测试。测试头中的模块生成和分配高速测试脉冲、提供适当的电压并切换测量通道。每次测试都必须在有限的空间内进行，以尽量减少线路损耗、信号传播时间、干扰和通道串扰。

　　对于此任务，设计人员可以使用小型开关元件，例如 Panasonic 的AQ 系列继电器。例如，电压控制 CC 型AQY2C1R6PX PhotoMOS SSR 采用 TSON 封装，面积为 3.51 平方毫米 (mm 2 ) (1.95 × 1.80 mm)(图 1)。它使用电容耦合提供 200 伏隔离保护，并且采用电压控制，仅需要 1.2 毫瓦 (mW) 的控制功率。

　　图 1：所示为 AQ 系列小信号 PhotoMOS 继电器的外壳尺寸;尺寸以毫米为单位。 (图片来源：松下，作者修改)

　　电流控制 RF 型AQY221R6TW PhotoMOS 继电器的占地面积仅为 3.8 mm²，但其 VSSOP 外壳比 AQY2C1R6PX 高 3.6 倍。它仅需要 75 mW 的控制功率，并使用光耦合提供 200 伏的保护隔离。CC 和 RF 类型的漏电流 (I Leak ) 非常低，为 10 纳安 (nA)。

　　图2显示了电容耦合CC型继电器(左)和光耦合RF型继电器(右)的电路原理。

　　图2：AQY2C1R6PX CC型PhotoMOS SSR(左)采用电容耦合，电压驱动; AQY221R6TW RF 型(右)采用光耦合且电流驱动。 (图片来源：松下，作者修改)

　　GE 型AQV214EHAX还使用光耦合，并在控制电路 (IN) 和负载电路 (OUT) 之间提供高达 5 kV 的显着更高的保护绝缘。它采用更大的 6-SMD 封装，尺寸为 8.8 mm x 6.4 mm，带有鸥翼引线。 GE 系列 SSR 仅需要 75 mW 控制功率，可在最高 400 伏电压下开关负载电流高达 150 mA。

　　优化接触电阻和输出电容

　　正如半导体的典型情况一样，SSR 具有“导通”电阻 (R on ) 和输出电容 (C out )，分别会导致热损失和漏电流。不同的继电器类型根据要切换的信号类型对其中一种或另一种进行优化。

　　具有特别低 R on的 SSR 类型在切换高频交流测试脉冲时会导致较小的衰减。具有低 C输出的SSR可以更准确地测量直流信号，而具有高 C输出的 SSR适合切换更高的功率电平。图 3 显示了一个自动化半导体测试系统，并说明了哪些 PhotoMOS 继电器类型最适合测试头测量模块中的各种信号路径。

　　图 3：该自动化半导体测试系统的每个信号路径都需要特定的 PhotoMOS 继电器类型。 (图片来源：松下)

　　AQY2C1R3PZ和AQY221N2TY PhotoMOS 继电器分别具有 1.2 和 1.1 皮法 (pF)的低C。这使得它们能够在长达 10 和 20 微秒 (µs) (AQY2C1R3PZ) 以及 10 和 30 µs (AQY221N2TY) 的时间内打开和关闭。两个继电器的权衡是分别增加 R on、10.5 和 9.5 Ω，从而导致更高的损耗和元件发热。这些 PhotoMOS 继电器非常适合以低电流快速切换测量信号，并且它们对高频信号产生的反射/相移较小。

　　前面讨论的AQY2C1R6PX和AQY221R6TW更适合切换速度较慢的电源信号和电流较高的电源电压。虽然它们较低的 R on会导致较少的元件发热，但它们较大的 C out对信号有积分效应。

　　最大限度地减少信号失真

　　仅代表简单开/关开关(1 型 A)的半导体继电器是用于交流信号的光电三端双向可控硅开关元件或用于脉动直流信号的具有双极晶体管的光耦合器的示例。由于阈值、点火电压和开关延迟，这些器件会导致负载信号失真。此外，反向恢复电流会产生谐波过冲(振铃)和数 10 至 100 毫安 (mA) 的漏电流。

　　Panasonic PhotoMOS 继电器中带有驱动电路的 FET 半桥最大限度地减少了这些信号失真，因此适合交流和直流小信号(例如高速测试脉冲、测量信号和电源电压)的低损耗切换。关闭时，两个 OUT 连接之间的漏电流低于 1 微安 (µA)。

　　PhotoMOS 继电器有 A 型(单刀、单掷、常开触点 (SPST-NO))或 B 型(常闭触点、SPST-NC)以及多种形式。设计人员可以构建 C 型开关，例如单刀双掷 (SPDT);单极转换开关;以及将 A 型和 B 型器件组合而成的双刀双掷 (DPDT) 开关。

　　例如，AQS225R2S是一款采用 SOP16 外壳的四路 PhotoMOS 继电器 (4SPST-NO)，可在高达 80 伏的开关电压下处理最大 70 mA 的电流。此外，AQW214SX是一款采用 SOP8 外壳的双 PhotoMOS 继电器 (2SPST-NO)，可在高达 400 伏的开关电压下处理高达 80 mA 的负载电流。

　　图 4 显示了 SSR、PhotoMOS 和光电耦合器的内部结构及其典型信号失真。 PhotoMOS 继电器不会在欧姆负载上造成信号削波或类似失真。

　　图 4：SSR 和光电耦合器由于阈值和点火电压而导致输出信号失真; PhotoMOS 继电器可无失真地切换交流和直流信号。 (图片来源：松下，作者修改)

　　为了减弱电感性和电容性开关负载的反馈效应，从而保护 PhotoMOS 输出级，设计人员必须在输出侧添加钳位和续流二极管、RC 和 LC 滤波器或压敏电阻。在 CC 系列中，钳位二极管可保护输入振荡器免受过压峰值影响，并将控制信号限制在 3 V 至 5.5 V，而 RC 滤波器可确保残余纹波小于 ±0.5 V。

　　减少漏电流

　　当继电器断电时，PhotoMOS 继电器的C out作为交流电和较高频率脉冲序列的旁路。为了显着减少此类漏电流并最大限度地提高高频隔离度，Panasonic 建议使用 T 电路形式的三个独立 PhotoMOS 继电器(图 5，左)。在主信号路径中，两个 1 Form A PhotoMOS 继电器 S1 和 S2 为低 R开启类型，而低 C输出类型则形成 1 Form A 短路开关 S3。

　　图 5：当 S1 和 S2 断电时，接通的继电器 S3 充当所有泄漏电流的短路(T 电路关闭状态，右)。 (图片来源：松下，作者修改)

　　T 电路接通状态(图 5，中心)：在 S1 和 S2 接通的情况下，它们的 R接通最小程度地衰减信号电平，而来自关闭的 S3 继电器的低 C输出会稍微衰减高频(低通) )。

　　T 电路关闭状态(图 5，右)：如果 S1 和 S2 断电，它们的 C输出代表高频旁路(高通)，但接通的 S3 继电器会短路通过 S1 电容传递的信号(吸气回路)。

　　T 电路的开/关时序必须以先断后通 (BBM) 开关的形式实现。因此，S1 和S2 应在S3 开启之前关闭。对于继电器，BBM 意味着触点单独切换，而先通后断 (MBB) 意味着触点以桥接方式切换。

　　更快地切换 PhotoMOS 继电器

　　PhotoMOS 继电器的内部光电传感器充当太阳能电池并提供栅极充电电流。因此，LED 发出的更亮的光脉冲可提高开关速度。例如，图 6 中的自举元件 R1/R2/C1 生成更高的电流脉冲。

　　图 6：自举元件 R1/R2/C1 提高了 PhotoMOS 继电器的接通速度。 (图片来源：松下)

　　C1在导通瞬间对R2起到短路作用，因此R1的低阻值允许大电流流过。如果 C1 已充电并具有高电阻，则添加 R2，从而减少流向保持电流的流量，就像磁继电器一样。因此，AQV204 PhotoMOS 继电器将其接通时间从 180 µs 缩短至 30 µs。

　　结论

　　通过使用小型、无磨损的 PhotoMOS 继电器，设计人员可以提高 ATE 应用的信号密度和测量速度，同时减少维护需求。此外，遵循推荐的设计技术可以帮助最大限度地减少漏电流和开关时间。