使用​源​测量​单元​分析​大功率​IV​特性

内容

所有​源​测量​单元​(SMU)​都有​一个​直流​功率​边界,​代表​该​仪器​进行​吸​灌​电流​操作​时​的​电压​和​电流​限制​值。 此外,​有些​SMU​在​超过​基本​的​直流​电源​边界​时​也可以​工作,​因为​它们​输出​的是​脉冲​电流​或​电压,​而不是​提供​恒定​直流​电源。 即使​脉冲​边界​的​延伸​存在​输出​限制,​但​这些​SMU​对于​高​功率 IV​特性​分析​而言​仍然​很有​用,​有助​于​降低​整体​复杂​度。

 

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脉冲​测试​的​优势

在​脉冲​模式​下​进行​测试​有​两​个​主要​优势:

 

更宽​的​功率​边界​——​使用​单​个​SMU​在​高​瞬时​功率​下​进行​测试

输出​高​功率​脉冲​适用​于​某些​设备​的​IV​特性​分析,​例如​高​亮度​LED、​绝缘​栅​双​极​型​晶体​管​(IGBT)​和​MOSFET;​而​输入​高​功率​脉冲​则​适用​于​SMU​作为​功率​管理​IC​等​设备​的​负载​的​情况。 具有​更宽​脉冲​边界​的​SMU​可​让​您​进行​高​功率​测试,​而且​无​需​为了​获得​更高​功率​而​使用​多个​SMU。

 

最小​化​DUT​的​自​热​效应​——​只需​有限​的​散热​设施​或​在​没有​散热​设施​的​情况​下​测试​高​功率​元件

一般​来说,​SMU​所​提供​的​功率​会​由于​转化​成​待​测​设备​(DUT)​的​热能​而​发生​损耗。 这样​一​来​不但​会​提高​温度,​还​会​改变​DUT​的​电子​属性​和​物理​属性。 在​特定​的​温度​下,​DUT​的​属性​会​大幅​变化,​使得​获得​的​IV​数据​非常​不​准确,​或者​损坏​DUT。 使用​脉冲​供电​替代​恒定​直流​电源​可​减少​DUT​的​平均​功率​损耗,​并​最小​化​DUT​的​自​热​效应。 实际​上,​测试​工程​师​发现​使用​脉冲​测试​非常​有​必要,​因为​这样​他们​不必​使用​精密​的​热​管理​系统​也可以​测试​高​功率​设备。

 

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脉冲​输出​架构

具有​宽​脉冲​范围​的​SMU​通常​会​采用​一种​特殊​的​输出​架构,​使​功率​暂时​超出​额​定​的​DC​范围。 举例来说,​NI PXIe-4139​精确​系统​SMU​可​产生​高达​500 W​的​脉冲,​远超过​20 W DC​的​限制。

 

 

NI PXIe-4139​具有​足够​大​的​内部​电容,​可​支持​SMU​的​内部​电源​(Vpwr)​暂时​超过​20 W​的​最大​DC​输出​限制,​从而​能够​输出​很短​的​大功率​脉冲,​而​不必​受限于​输出​范围​的​限制。

 

由于​NI PXIe-4139​等​SMU​暂时​输出​的​功率​高于​通过​电源​所​提供​的​功率,​因此​其​受限于​输出​高​功率​的​速度​与​持续​时间。 一般​来说,​SMU​的​几个​主要​脉冲​参数​会​存在​一定​的​限制​范围,​这样​才能够​确保​SMU​可​稳定​输出​所需​的​功率,​而且​不会​因为​吸入​太多​功率​而​出现​过​热。 当​SMU​在​扩展​的​脉冲​边界​范围​运行​时,​必须​注意​一些​脉冲​参数,​例如​占​空​比、​最大​功率、​最大/​最小​脉冲​持续​时间、​最小​脉冲​周期。

 

 

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脉冲​测试​与​DC​测试​比较

大​多数​采用​SMU​的​半导体​测试​应用​都会​涉及​某种​形式​的​输出​与​测量​操作。 基本​的​DC​扫描​会​逐步​增大​输出​直到​序列​完成,​下​图​所​示​的是​一个​五步​递增​的​电流​值​序列。

 

脉冲​扫描​和​DC​扫描​的​相似​之​处​在于​我们​需要​输出​一个​设定​值,​等待​这个​值​稳定​下来​之后​再​进行​测量。 脉冲​测试​的​主要​差异​在于​电源​会​在​短暂​的​脉冲​时间​结束​后​回归​偏​置​电​平。 在​大​多数​情况​下,​偏​置​电​平​的​设置​是​为了​关闭​DUT(例如​0V​或​0A)。

 

在​理想​的​情况​下,​上面​两​个​图​中的​脉冲​序列​和​DC​序列​都会​返回​相同​的​IV​数据。 然而,​如​前​所述,​DC​序列​会​导致​DUT​散发​更多​热能,​功率​损耗​更大,​导致​电路​行为​异常​或​测试​结果​不如​人​意。 因此​脉冲​测试​更​适合​这类​应用。  

 

以​脉冲​模式​进行​测试​时,​脉​宽​必须​够​长​才能​让​设备​达到​完全​接通​状态​和​进行​稳定​的​测量,​但​同时​脉​宽​也​必须​足够​短​才能​尽可能​减小​DUT​的​自​热。 脉冲​测试​时,​快速​清晰​的​SMU​响应​十分​重要,​因为​SMU​的​初始​电​平​一般​是​脉冲​偏​置​电​平,​而不是​在​输出​电​平​的​基础​上​小幅​逐步​增加。

 

根据​待​测​设备​的​阻抗​和​所需​的​脉冲​特性,​SMU​的​瞬​态​响应​可能​过​快​或​过​慢。 当​响应​过​快​时,​输出​电​平​会​发生​过​冲​或者​不​稳定,​可能​会​对待​测​设备​造成​损害。 如果​响应​过​慢,​SMU​在​脉冲​持续​期间​将​无法​达到​所需​的​输出​值。 在​这​两​种​极端​情况​下,​SMU​都​无法​快速​稳定​下来​进行​测量,​脉冲​宽度​必须​延长。 这样​一​来​就​影响​了​整个​测试​序列,​增加​待​测​设备​的​散热。

 

生成​非常​狭窄​的​脉冲​时,​一定​要​避免​上述​两​种​情况,​因为​这​会​导致​IV​数据​很不​理想。 为了​确保​SMU​能​生成​清晰​的​脉冲,​比​下​图​所​示​的​脉冲, 我们​需要​使用​具有​足够​高​采样​率​的​仪器​来​捕捉​详细​的​SMU​瞬​态​响应​特性。 以前,​观察​瞬​态​响应​使用​的是​外部​示波器;​但​现在​一些​SMU​内部​配置​了​数字​化​仪。  

 

将​脉冲​数字​化​的​另​一个​好处​是​我们​能够​可​视​化​所需​的​延迟​和​测量​窗口​(空隙​时间)。 SMU​通常​在​源​延迟​之后​立即​开始​测量,​因此​优​化​源​延迟​对于​脉冲​测试​非常​重要。 如果​源​延迟​过短,​SMU​就​会​开始​测试,​而​同时​输出​仍然​在​升高,​这样​就​会​导致​数据​不​准确。 如果​源​延迟​过​长,​测量​窗口​缩小,​测量​精度​就​会​降低。

 

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应用​实例: 高​功率​LED​的​脉冲​测试

为了​展示​SMU​的​脉冲​性能,​我们​将​使用​NI PXIe-4139​对​CREE​高​功率​LED​进行​特性​分析。 由于​这​款​LED​的​IV​要求​(37 Vf、​2.5 Imax),​我们​必须​在​扩展​的​脉冲​边界​范围​内​运行​SMU,​这样​才能够​生成​远超过​20 W DC 限制​的​500 W​脉冲。

 

针对​这​款​LED​的​IV​特性​分析,​我们​将​对​LED​进行​0​到​2.5 A​的​电流​扫描。​如果​使用​传统​的​DC​序列​来​测试​LED​特性,​就​会​面临​两​个​挑战。 第一,​为了​满足​IV​扫描​所需​的​电流​和​电压, 我们​可能​需要​同时​使用​多个​SMU。 这些​额外​的​SMU​不仅​使得​整个​装置​在​线路​连接​和​编​程​方面​变得​复杂,​还​增加​了​测试​系统​的​规模​和​成本。 其次,​我们​为​这个​小型​的​LED​提供​了​高达​100W​的​电量。 如果​没有​按下​图​所​示​的​那样​安装​散热​装置,​则​直流​供电​时间​过​长​可能​会​损坏​LED。 使用​脉冲​模式​的​SMU​就​可以​避免​这​两​个​难题,​因为​我们​只需​使用​一个​仪器​既​可以​对​LED​进行​完整​的​IV​扫描,​而​不需要​借助​外部​散热​装置。

 

为了​尽可能​提高​测试​速度,​同时​降低​通过​LED​的​热能​耗散,​我们​将​使用​仪器​的​最小​脉​宽,​也就是​50 µs。 生成​可用​的​50 µs​脉冲​其实​很​困难,​为了​确保​能够​从​SMU​获得​清晰、​稳定​的​脉冲,​我们​必须​利用​NI PXIe-4139​特有的​两​个​功能。​第一,​我们​将​此​仪器​当作​示波器​使用,​深入​分析​脉冲​的​瞬时​特性。 其次,​我们​会​使用​NI SourceAdapt​技术​来自​定义​此​脉冲,​获得​快速​上升​时间,​同时​避免​过​冲​或​震荡。

 

脉冲​生成​和​数字化

生成​高​功率​狭窄​脉冲​时,​务必​确保​SMU​响应​快速​且​稳定。 这里​所​使用​的​SMU​是​NI PXIe-4139,​该​仪器​具有​内​置​数字​化​仪​模式,​采样​率​高达​1.8 MS/​s,​所以​我们​可​使用​这个​SMU​的​测量​功能​对​输出​进行​数字​化。 如果​没有​这个​功能,​就​需要​外接​可​同时​测量​电流​和​高​电压​的​示波器。

 

 

将​SMU​脉冲​数字​化​有助​于​深入​分析​脉冲​特性,​并且​验证​序列​的​每​一步​上​SMU​都​能够​进行​准确​的​测量。 在​本​例​中,​我们​会​发现​SMU​不会​在​50 µs​的​时间​窗​内​稳定​下来,​因此​无法​通过​这些​设置​获得​准确​的​IV​数据。 这时​我们​必须​延长​脉冲​的​持续​时间,​或是​调整​SMU​的​响应。

 

使用​NI SourceAdapt​进行​脉冲​整形

NI PXIe-4139​搭载​了​NI SourceAdapt​技术,​可​帮助​用户​自​定义​SMU​的​瞬时​响应。 在​本​例​中,​我们​需要​使用​此​功能​来​优​化​脉冲​的​上升​时间,​同时​维持​稳定​响应,​避免​过​冲。

 

上​图为​SourceAdapt​设置​经过​调整​后​的​脉冲​特性。 了解​上述​的​脉冲​特性​之后,​我们​就​可以​确定​SMU​所需​的​稳定​和​空隙​时间,​确保​最终​的​IV​扫描​返回​的是​准确​的​数据。 下​图​显示​的是​0​到​2.5 A​的​SMU​扫描​以及​序列​每​个​点​的​电压​和​电流​测量。

 

  • 了解​更多​关于​NI SourceAdapt​技术

 

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其他​资源

脉冲​是​SMU​相当​实用​的​功能​之一,​可​帮助​您​测试​高​功率​设备,​而​不必​使用​多个​SMU​和​散热​装置,​避免​测试​装置​变得​复杂。 基于​上述​优势,​许多​测试​工程​师​对​脉冲​测试​的​青睐​远​胜过​传统​DC​序列。 使用​高​功率​脉冲​进行​测试​时,​SMU​响应、​脉冲​规格、​分析​脉冲​特性​的​能力​都是​采集​高​品质​IV​数据​不可或缺​的​要素。

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