使用源測(cè)量單元分析大功率IV特性

1. 脈沖測(cè)試的優(yōu)勢(shì)

在脈沖模式下進(jìn)行測(cè)試有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：

更寬的功率邊界——使用單個(gè)SMU在高瞬時(shí)功率下進(jìn)行測(cè)試

輸出高功率脈沖適用于某些設(shè)備的IV特性分析，例如高亮度LED、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和MOSFET；而輸入高功率脈沖則適用于SMU作為功率管理IC等設(shè)備的負(fù)載的情況。 具有更寬脈沖邊界的SMU可讓您進(jìn)行高功率測(cè)試，而且無(wú)需為了獲得更高功率而使用多個(gè)SMU。

最小化DUT的自熱效應(yīng)——只需有限的散熱設(shè)施或在沒有散熱設(shè)施的情況下測(cè)試高功率元件

一般來(lái)說(shuō)，SMU所提供的功率會(huì)由于轉(zhuǎn)化成待測(cè)設(shè)備(DUT)的熱能而發(fā)生損耗。 這樣一來(lái)不但會(huì)提高溫度，還會(huì)改變DUT的電子屬性和物理屬性。 在特定的溫度下，DUT的屬性會(huì)大幅變化，使得獲得的IV數(shù)據(jù)非常不準(zhǔn)確，或者損壞DUT。 使用脈沖供電替代恒定直流電源可減少DUT的平均功率損耗，并最小化DUT的自熱效應(yīng)。 實(shí)際上，測(cè)試工程師發(fā)現(xiàn)使用脈沖測(cè)試非常有必要，因?yàn)檫@樣他們不必使用精密的熱管理系統(tǒng)也可以測(cè)試高功率設(shè)備。

2. 脈沖輸出架構(gòu)

具有寬脈沖范圍的SMU通常會(huì)采用一種特殊的輸出架構(gòu)，使功率暫時(shí)超出額定的DC范圍。 舉例來(lái)說(shuō)，NI PXIe-4139精確系統(tǒng)SMU可產(chǎn)生高達(dá)500 W的脈沖，遠(yuǎn)超過(guò)20 W DC的限制。

NI PXIe-4139具有足夠大的內(nèi)部電容，可支持SMU的內(nèi)部電源(Vpwr)暫時(shí)超過(guò)20 W的最大DC輸出限制，從而能夠輸出很短的大功率脈沖，而不必受限于輸出范圍的限制。

由于NI PXIe-4139等SMU暫時(shí)輸出的功率高于通過(guò)電源所提供的功率，因此其受限于輸出高功率的速度與持續(xù)時(shí)間。 一般來(lái)說(shuō)，SMU的幾個(gè)主要脈沖參數(shù)會(huì)存在一定的限制范圍，這樣才能夠確保SMU可穩(wěn)定輸出所需的功率，而且不會(huì)因?yàn)槲胩喙β识霈F(xiàn)過(guò)熱。 當(dāng)SMU在擴(kuò)展的脈沖邊界范圍運(yùn)行時(shí)，必須注意一些脈沖參數(shù)，例如占空比、最大功率、最大/最小脈沖持續(xù)時(shí)間、最小脈沖周期。

3. 脈沖測(cè)試與DC測(cè)試比較

大多數(shù)采用SMU的半導(dǎo)體測(cè)試應(yīng)用都會(huì)涉及某種形式的輸出與測(cè)量操作。 基本的DC掃描會(huì)逐步增大輸出直到序列完成，下圖所示的是一個(gè)五步遞增的電流值序列。

脈沖掃描和DC掃描的相似之處在于我們需要輸出一個(gè)設(shè)定值，等待這個(gè)值穩(wěn)定下來(lái)之后再進(jìn)行測(cè)量。 脈沖測(cè)試的主要差異在于電源會(huì)在短暫的脈沖時(shí)間結(jié)束后回歸偏置電平。 在大多數(shù)情況下，偏置電平的設(shè)置是為了關(guān)閉DUT(例如0V或0A)。

在理想的情況下，上面兩個(gè)圖中的脈沖序列和DC序列都會(huì)返回相同的IV數(shù)據(jù)。 然而，如前所述，DC序列會(huì)導(dǎo)致DUT散發(fā)更多熱能，功率損耗更大，導(dǎo)致電路行為異?；驕y(cè)試結(jié)果不如人意。 因此脈沖測(cè)試更適合這類應(yīng)用。

以脈沖模式進(jìn)行測(cè)試時(shí)，脈寬必須夠長(zhǎng)才能讓設(shè)備達(dá)到完全接通狀態(tài)和進(jìn)行穩(wěn)定的測(cè)量，但同時(shí)脈寬也必須足夠短才能盡可能減小DUT的自熱。 脈沖測(cè)試時(shí)，快速清晰的SMU響應(yīng)十分重要，因?yàn)镾MU的初始電平一般是脈沖偏置電平，而不是在輸出電平的基礎(chǔ)上小幅逐步增加。

根據(jù)待測(cè)設(shè)備的阻抗和所需的脈沖特性，SMU的瞬態(tài)響應(yīng)可能過(guò)快或過(guò)慢。 當(dāng)響應(yīng)過(guò)快時(shí)，輸出電平會(huì)發(fā)生過(guò)沖或者不穩(wěn)定，可能會(huì)對(duì)待測(cè)設(shè)備造成損害。 如果響應(yīng)過(guò)慢，SMU在脈沖持續(xù)期間將無(wú)法達(dá)到所需的輸出值。 在這兩種極端情況下，SMU都無(wú)法快速穩(wěn)定下來(lái)進(jìn)行測(cè)量，脈沖寬度必須延長(zhǎng)。 這樣一來(lái)就影響了整個(gè)測(cè)試序列，增加待測(cè)設(shè)備的散熱。

生成非常狹窄的脈沖時(shí)，一定要避免上述兩種情況，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致IV數(shù)據(jù)很不理想。 為了確保SMU能生成清晰的脈沖，比下圖所示的脈沖， 我們需要使用具有足夠高采樣率的儀器來(lái)捕捉詳細(xì)的SMU瞬態(tài)響應(yīng)特性。 以前，觀察瞬態(tài)響應(yīng)使用的是外部示波器；但現(xiàn)在一些SMU內(nèi)部配置了數(shù)字化儀。

將脈沖數(shù)字化的另一個(gè)好處是我們能夠可視化所需的延遲和測(cè)量窗口（空隙時(shí)間）。 SMU通常在源延遲之后立即開始測(cè)量，因此優(yōu)化源延遲對(duì)于脈沖測(cè)試非常重要。 如果源延遲過(guò)短，SMU就會(huì)開始測(cè)試，而同時(shí)輸出仍然在升高，這樣就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 如果源延遲過(guò)長(zhǎng)，測(cè)量窗口縮小，測(cè)量精度就會(huì)降低。

4. 應(yīng)用實(shí)例： 高功率LED的脈沖測(cè)試

為了展示SMU的脈沖性能，我們將使用NI PXIe-4139對(duì)CREE高功率LED進(jìn)行特性分析。 由于這款LED的IV要求(37 Vf、2.5 Imax)，我們必須在擴(kuò)展的脈沖邊界范圍內(nèi)運(yùn)行SMU，這樣才能夠生成遠(yuǎn)超過(guò)20 W DC 限制的500 W脈沖。

針對(duì)這款LED的IV特性分析，我們將對(duì)LED進(jìn)行0到2.5 A的電流掃描。如果使用傳統(tǒng)的DC序列來(lái)測(cè)試LED特性，就會(huì)面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)。 第一，為了滿足IV掃描所需的電流和電壓， 我們可能需要同時(shí)使用多個(gè)SMU。 這些額外的SMU不僅使得整個(gè)裝置在線路連接和編程方面變得復(fù)雜，還增加了測(cè)試系統(tǒng)的規(guī)模和成本。 其次，我們?yōu)檫@個(gè)小型的LED提供了高達(dá)100W的電量。 如果沒有按下圖所示的那樣安裝散熱裝置，則直流供電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)損壞LED。 使用脈沖模式的SMU就可以避免這兩個(gè)難題，因?yàn)槲覀冎恍枋褂靡粋€(gè)儀器既可以對(duì)LED進(jìn)行完整的IV掃描，而不需要借助外部散熱裝置。

為了盡可能提高測(cè)試速度，同時(shí)降低通過(guò)LED的熱能耗散，我們將使用儀器的最小脈寬，也就是50 µs。 生成可用的50 µs脈沖其實(shí)很困難，為了確保能夠從SMU獲得清晰、穩(wěn)定的脈沖，我們必須利用NI PXIe-4139特有的兩個(gè)功能。第一，我們將此儀器當(dāng)作示波器使用，深入分析脈沖的瞬時(shí)特性。 其次，我們會(huì)使用NI SourceAdapt技術(shù)來(lái)自定義此脈沖，獲得快速上升時(shí)間，同時(shí)避免過(guò)沖或震蕩。

脈沖生成和數(shù)字化

生成高功率狹窄脈沖時(shí)，務(wù)必確保SMU響應(yīng)快速且穩(wěn)定。 這里所使用的SMU是NI PXIe-4139，該儀器具有內(nèi)置數(shù)字化儀模式，采樣率高達(dá)1.8 MS/s，所以我們可使用這個(gè)SMU的測(cè)量功能對(duì)輸出進(jìn)行數(shù)字化。 如果沒有這個(gè)功能，就需要外接可同時(shí)測(cè)量電流和高電壓的示波器。

將SMU脈沖數(shù)字化有助于深入分析脈沖特性，并且驗(yàn)證序列的每一步上SMU都能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。 在本例中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)SMU不會(huì)在50 µs的時(shí)間窗內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)，因此無(wú)法通過(guò)這些設(shè)置獲得準(zhǔn)確的IV數(shù)據(jù)。 這時(shí)我們必須延長(zhǎng)脈沖的持續(xù)時(shí)間，或是調(diào)整SMU的響應(yīng)。

使用NI SourceAdapt進(jìn)行脈沖整形

NI PXIe-4139搭載了NI SourceAdapt技術(shù)，可幫助用戶自定義SMU的瞬時(shí)響應(yīng)。 在本例中，我們需要使用此功能來(lái)優(yōu)化脈沖的上升時(shí)間，同時(shí)維持穩(wěn)定響應(yīng)，避免過(guò)沖。

上圖為SourceAdapt設(shè)置經(jīng)過(guò)調(diào)整后的脈沖特性。 了解上述的脈沖特性之后，我們就可以確定SMU所需的穩(wěn)定和空隙時(shí)間，確保最終的IV掃描返回的是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 下圖顯示的是0到2.5 A的SMU掃描以及序列每個(gè)點(diǎn)的電壓和電流測(cè)量。

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5. 其他資源

脈沖是SMU相當(dāng)實(shí)用的功能之一，可幫助您測(cè)試高功率設(shè)備，而不必使用多個(gè)SMU和散熱裝置，避免測(cè)試裝置變得復(fù)雜。 基于上述優(yōu)勢(shì)，許多測(cè)試工程師對(duì)脈沖測(cè)試的青睞遠(yuǎn)勝過(guò)傳統(tǒng)DC序列。 使用高功率脈沖進(jìn)行測(cè)試時(shí)，SMU響應(yīng)、脈沖規(guī)格、分析脈沖特性的能力都是采集高品質(zhì)IV數(shù)據(jù)不可或缺的要素。