使用FET和SSR降低自动化测试系统中的开关成本

从汽车发动机到热电偶，各类产品中都能见到机电继电器。这种设备易于获得且成本低廉，可用于传输几乎来自任何地方的信号。难怪这些设备在自动化测试市场变得无所不在。尽管机电继电器已被业界采用，但其速度较慢（每秒数百个通道）且使用寿命有限，因此不适用于半导体验证测试等应用。

半导体是经过多年演变的批量生产的设备。随着这些设备越来越复杂，测试它们的系统开销也越来越大。如今，某些半导体芯片十分复杂，测试成本高于生产成本。为保持芯片的长期经济性，半导体制造商必须通过缩短测试每个设备的时间并最小化仪器费用来降低测试成本。对于开关系统，这意味着要使用扫描速率快、寿命长的部件，而机电继电器并不具备这些特性，却常见于固态继电器(SSR)和场效应晶体管(FET)开关等设备。由于开关速度高达每秒50,000个通道，且机械寿命无限，FET和SSR可通过减少测试时间和消除频繁更换开关组件的需求，降低许多应用中的开销。此外，其小巧的外形有助于最小化前期开关系统成本。

固态继电器使用光敏金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成，该晶体管由LED控制。来自封装LED的光激励光敏MOSFET并允许电流流过。

^{图1：固态继电器(SSR)结构}

SSR适用于高压应用，因为LED驱动在控制电路和MOSFET之间提供了电隔离屏障。但是，由于MOSFET负责开关操作，其触点之间不存在电隔离屏障。当MOSFET上没有栅极驱动时，MOSFET上的漏极-源极通道具有非常高的电阻，导致触点之间断开。由于SSR使用MOSFET（固态器件）代替机械臂切换状态，因此具有无限的机械寿命。SSR的开关速度也比机电继电器快。SSR开关时间取决于LED开启和关闭所需的时间，约为0.5 ms至1 ms。这比机电继电器中机械臂在不同状态间移动所需的时间更快。 

NI PXI-2533和PXI-2534 256交叉点矩阵模块是采用SSR技术的高密度开关产品。两个模块均可提供无限的机械寿命和无限的同步连接，同时可在所有通道上以1 A的速度切换至55 V。

^{图2：NI PXI-2533 256交叉点SSR矩阵模块}

与SSR一样，FET开关不是机械器件，因此具有无限的机械寿命。FET开关使用一系列CMOS晶体管连接和断开电路。与SSR不同的是，控制电路直接驱动晶体管的栅极而不是驱动LED。直接驱动晶体管栅极可实现更快的开关速度，因为LED的上电和断电时间不是问题。另外，由于封装中没有机械部件或LED，FET开关可能非常小。但是，FET开关的一个主要限制是它缺少物理隔离屏障，因此只能用于低电压信号。

FET开关通常用于高速、低电压应用的多路复用器和矩阵配置。PXI-2535和PXI-2536 544交叉点矩阵模块是基于FET的开关模块。这些模块的开关速度高达每秒50,000个交叉点。          

^{图3：NI PXI-2536 544交叉点FET开关模块}

直到最近，FET和SSR设备一直以其高路径电阻（有时可超过1 kΩ）在测试系统中引起测量误差而闻名。这一特性阻碍了这些设备进入自动化测试市场。但晶体管技术的最新发展使得FET和SSR的路径电阻与机电继电器相当。例如，NI PXI-2533 256交叉点SSR继电器的路径电阻为1 Ω，小于或等于大多数机电继电器模块的路径电阻。这一重大技术突破使得利用FET和SSR技术的固有优势成为可能，这些优势包括无限的机械寿命和更快的开关速度，同时不会受到更高路径电阻的影响。

FET和SSR设备通过降低前期成本、延长开关系统寿命和最小化测试时间，帮助降低自动化测试系统的成本。

FET和SSR的紧凑尺寸有助于降低PXI开关系统的前期成本。PXI开关模块的成本取决于继电器组件、后端电路以及用于构建模块的印刷电路板(PCB)等材料的成本。FET和SSR的小尺寸有助于构建高密度单槽PXI开关模块。这有助于减少PXI模块的数量，从而减少机箱中使用的PXI插槽，例如构建半导体验证测试器中使用的高密度开关系统。通过使用更少的模块，降低了原材料和后端架构的成本。PXI-2535 544交叉点矩阵是使用FET技术构建的超高密度PXI开关模块的一个范例。

FET开关无限的机械寿命和更快的开关速度也有助于最小化测试系统的成本。例如，系统用于在包含500个I/O点的芯片上进行10次测试。该芯片已被大量设备使用，每月累计销售额约为100万。该测试系统使用单个NI PXI源测量单元(SMU)和一个用于将全部500个点路由至SMU的开关前端构建，需要不间断地连续运行。使用基于FET的开关产品与基于机电继电器的产品的成本比较如下。

使用PXI-2535 544交叉点FET开关每秒50,000个通道的扫描速度，可在12天内测试全部100万个芯片。由于FET具有无限的机械寿命，因此在此过程中不会产生开关模块更换成本。

  ^{图4：使用SMU和544交叉点FET开关}进行芯片测试

如使用相同密度的基于机电继电器的开关模块，开销将大大增加。机电继电器的典型寿命为100万次闭合，速度为每秒250个通道。由于每个继电器在测试全部100万个芯片的过程中被关闭1000万次，继电器模块需要更换10次。这将增加系统维护的总费用。与基于FET的解决方案相比，机电继电器速度较慢也增加了成本。使用机电继电器测试100万个芯片所需的时间为231天。因此，与基于FET的模块相比，使用机电继电器将增加生产车间219天的维护和运行成本。较长的测试时间也会在管理库存和向客户发货时带来挑战。

假设情况下，本范例演示了通过FET和SSR技术的优势可实现的实际成本节约。

在自动化测试系统中没有单一的信号连线解决方案。事实上,市场上可用的解决方案数量不断增加。FET和SSR是市场上常见的开关解决方案，但由于晶体管技术的进步，这些解决方案最近才成为可行的选择。有了这些进步，您现在可以享受固态开关的优势，包括更快的开关速度和无限的机械寿命，从而构建更好、更快和更经济的测试系统。

• 浏览和比较NI开关
• SSR矩阵模块