Réduire les coûts des tests avec les technologies de commutation statique

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Utilisés dans des produits tels que les moteurs automobiles ou les thermocouples, les relais électromécaniques sont des matériels économiques facilement disponibles qui servent à acheminer des signaux quelle que soit leur provenance. Il n’y a donc rien d’étonnant à ce que ces matériels se soient imposés sur le marché du test automatisé. En dépit de leur adoption par l’industrie, les relais électromécaniques sont lents et ont une durée de vie limitée ce qui les rend peu adaptés aux applications telles que le test de validation de semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont des matériels produits en masse qui ont évolué considérablement au fil des ans. À mesure que ces matériels ont gagné en complexité, les frais généraux associés à leur test ont augmenté. Actuellement, certains circuits intégrés de semi-conducteurs sont si complexes que les coûts des tests sont plus élevés que ceux de production. Pour que les circuits intégrés restent abordables à long terme, les fabricants de semi-conducteurs doivent faire baisser les coûts des tests en réduisant le temps nécessaire au test de chaque matériel et en diminuant les frais engendrés par l’instrumentation. Pour les systèmes de commutation, cela implique l'utilisation de pièces avec des fréquences de balayage élevées et des durées de vie plus longues, caractéristiques faisant défaut aux relais électromécaniques mais courantes sur des matériels tels que les relais statiques (SSR) et les matrices de commutation à transistor à effet de champ (FET). Avec des vitesses de commutation atteignant 50 000 voies par seconde et une durée de vie mécanique illimitée, les FET et les SSR font baisser les frais généraux dans bon nombre d’applications en diminuant les temps de test et en dispensant de remplacer fréquemment les composants de commutation. De plus, leurs facteurs de forme compacts contribuent à minimiser les coûts des systèmes de commutation.

Qu'est-ce qu'un relais statique (SSR) ?

 

Un relais statique est construit à partir d’un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET) photosensible, contrôlé à l’aide d’une LED. La lumière provenant de la LED encapsulée met en marche le MOSFET photosensible et permet au courant de le traverser.



Figure n°1. Construction d’un relais statique (SSR)

 

Les SSR sont utiles aux applications haute tension car l'allumage de la LED fournit une isolation galvanique entre le circuit de contrôle et le MOSFET. Toutefois, étant donné que le MOSFET effectue la commutation, il n'y a pas de barrière galvanique entre ses contacts. Lorsqu'il n'y a pas de contrôleur de grille sur le MOSFET, le canal drain-source a une résistance très élevée qui assure la déconnexion entre les contacts. Comme les SSR utilisent les MOSFET, qui sont des matériels statiques, afin de commuter les états au lieu d'un bras mécanique, ils ont une durée de vie mécanique illimitée. Les SSR offrent également des vitesses de commutation plus élevées que les relais électromécaniques car leur temps de commutation dépend du temps nécessaire pour allumer et éteindre la LED : soit respectivement près d'1 ms et 0,5 ms.

 
Les matrices à 256 points de connexion NI PXI-2533 et PXI-2534 sont des exemples de produits de commutation haute densité qui intègrent la technologie des SSR. Ces deux modules offrent une durée de vie mécanique illimitée et des connexions simultanées infinies tout en permettant de commuter jusqu'à 60 V à 1 A sur toutes les voies.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure n°2. Les matrices SSR à 256 points de connexion NI PXI-2533 et PXI-2534

 

Qu'est-ce qu'une matrice de commutation à transistor à effet de champ (FET) ?

 

Tout comme les SSR, les matrices de commutation FET ne sont pas des matériels mécaniques et ont donc une durée de vie mécanique illimitée. Les matrices de commutation FET utilisent une série de transistors CMOS pour connecter et déconnecter les circuits. Contrairement aux SSR, le circuit de contrôle pilote directement les grilles des transistors au lieu d’actionner une LED. Le contrôle direct de la grille du transistor permet des vitesses de commutation plus élevées car le temps de mise sous tension ou hors tension de la LED ne constitue pas un problème. De même, comme il n'y a pas de pièces mécaniques ni de LED dans le conditionnement, les matrices de commutation FET peuvent être très compactes. Toutefois, l'une des limites majeures de la matrice de commutation FET est la faiblesse de sa barrière d’isolation physique qui implique uniquement une utilisation avec des signaux basse tension.

 

Les matrices de commutation FET sont le plus souvent utilisées dans les configurations de multiplexeurs et de matrices pour des applications basse tension avec des vitesses plus élevées. Les matrices PXI-2535 et PXI-2536 à 544 points de connexion sont des exemples de modules de commutation basés FET. Ces modules offrent des vitesses de commutation pouvant atteindre 50 000 points de connexion par seconde.

 

           

 

 

Figure n°3. Module de commutation FET à 544 points de connexion NI PXI-2535

 

Progrès de la technologie des SSR et des FET

 

Jusqu’à présent, les matériels à FET et SSR avaient la réputation d’induire des erreurs de mesure dans les systèmes de test en raison de leur chemin résistif élevé, qui dépassait parfois 1 kΩ. Cette caractéristique a entravé l’arrivée de ces matériels sur le marché du test automatisé. Mais des progrès récents apportés à la technologie des transistors ont rendu le chemin résistif des FET et des SSR comparable à celui des relais électromécaniques. Le relais statique à 256 points de connexion NI PXI-2533, par exemple, a un chemin résistif de 1 Ω, ce qui est inférieur ou égal au chemin résistif de la plupart des modules de relais électromécaniques. Cette avancée technologique substantielle permet désormais de mettre à profit les avantages inhérents de la technologie des FET et des SSR, notamment leur durée de vie mécanique illimitée et leurs vitesses de commutation plus élevées.

 

Les modules de commutation SSR et FET PXI réduisent les coûts des tests

 

Les matériels à FET et SSR contribuent à réduire les coûts des systèmes de test automatisé en faisant baisser les coûts initiaux, en accroissant la durée de vie du système de commutation et en diminuant la durée des tests.

 

La compacité des FET et des SSR aide à réduire les coûts initiaux des systèmes de commutation PXI. Le coût d’un module de commutation PXI dépend de celui des composants du relais, du circuit d’arrière plan, et des matériels comme les circuits imprimés utilisés pour construire le module. Le facteur de forme compact des FET et des SSR facilite la construction de modules de commutation PXI haute densité à un seul emplacement. Cela contribue à réduire le nombre de modules PXI nécessaires lors de la construction de systèmes de commutation haute densité tels que ceux utilisés dans les testeurs de validation de semi-conducteurs. En utilisant moins de modules, vous encourez moins de frais sur les matériaux bruts et l’architecture d’arrière plan. La matrice à 544 points de connexion PXI-2535 est un exemple de module de commutation PXI intégrant la technologie des FET.

 

La durée de vie mécanique illimitée et les vitesses de commutation plus élevées des matrices de commutation FET contribuent également à faire baisser les coûts des systèmes de test. Prenez l’exemple d’un système de test de validation de semi-conducteurs utilisé pour conduire dix tests paramétriques sur un circuit intégré avec 500 points d’E/S. Le circuit intégré est une pièce couramment utilisée dans plusieurs modèles de téléphones cellulaires fabriqués par une seule société. Les ventes cumulatives de ces modèles de téléphones cellulaires sont estimées à un million par mois. Le système requis pour fonctionner en continu sans aucune interruption est construit à l’aide d’une seule unité de source et mesure (SMU) NI PXI-4130 et d’un frontal de commutation utilisé pour acheminer l’ensemble des 500 points à la SMU. Supposons que le fonctionnement du site de production revienne à 5 000 dollars par jour. Voici une comparaison des coûts engendrés par l’utilisation d'un produit de commutation basé FET et de ceux liés à l’utilisation d’un produit basé relais électromécanique.

 

En utilisant la matrice de commutation FET à 544 points PXI-2535, il est possible de tester 1 million de circuits intégrés en moins de 12 jours. Puisque les FET ont une durée de vie mécanique illimitée, vous n’encourez pas de frais liés au remplacement des modules de commutation.

 

 

 

 

 

Figure n°4. Validation de semi-conducteurs avec une SMU et une matrice de commutation FET à 544 points de connexion

 

En utilisant un module de commutation basé relais électromécanique avec la même densité, les dépenses seraient bien plus importantes. Les relais électromécaniques ont généralement une durée de vie de 1 million de commutations et une vitesse de 250 voies par seconde. Étant donné que le relais est fermé 10 millions de fois au cours du processus qui consiste à tester 1 million de circuits intégrés, le module relais devrait être remplacé à dix reprises. Cela se traduirait par une augmentation des dépenses totales encourues pour l'entretien du système. La vitesse moindre des relais électromécaniques ajoute également des frais par rapport à la solution reposant sur les FET. Le temps requis pour tester 1 million de circuits intégrés en utilisant des relais électromécaniques est de 231 jours. Par conséquent, les frais de fonctionnement sont supérieurs de 1,1 million de dollars à la solution reposant sur les FET. Des durées de test plus longues créent également des difficultés en termes de gestion des stocks et d’expédition des produits aux clients.

 

Bien qu’hypothétique, cet exemple montre les économies réelles que vous pouvez réaliser grâces la technologie des FET et des SSR.

 

Conclusion

 

Il n’y a pas de solution unique pour acheminer des signaux dans les systèmes de test automatisé. En fait, le nombre de solutions disponibles sur le marché ne cesse de croître. Les FET et les SSR sont des exemples de solutions de commutation qui existent depuis longtemps, mais qui ne sont devenus des options viables que récemment du fait des progrès réalisés dans la technologie des transistors. Ces avancées permettent désormais de profiter des avantages de la commutation statique, notamment les vitesses de commutation plus élevées et la durée de vie mécanique illimitée, afin de construire des systèmes de test plus performants, plus rapides et plus économiques.