基于集成電路測試系統(tǒng)的大功率資源板設計

季常珊，王斌，陳劍晟

（集成電路測試技術(shù)研究中心，BJAST，北京自動測試技術(shù)研究所）

0 引言

眾所周知，任何產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)計劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是對重要組件和整個產(chǎn)品進行性能測試、測量和分析。完成上述重要工作，需要使用經(jīng)濟、高效、可靠、高性能的測試設備和軟件。集成電路測試系統(tǒng)能夠代表國內(nèi)先進的測試系統(tǒng)水平，它可快速、準確地對各類大、中、小規(guī)模集成電路進行全參數(shù)測試。具有覆蓋面寬、測試精度高、性能穩(wěn)定、操作方便等特點。

現(xiàn)階段由于部分集成電路的電壓和電流的參數(shù)值較高，因此需要測試系統(tǒng)提供大功率的源和測量表，這對集成電路測試系統(tǒng)提出了新的要求。本文提出了一種大功率資源板的設計方案，電壓施加和測量范圍是±30V，電流施加和測量范圍是±5A，它可以長時間準確地對被測芯片管腳施加大的電流值，與之前通過外接電容充放電形成大電流的瞬態(tài)測試方法相比，具有施加持續(xù)時間長，精度高等特點，彌補了此類集成電路在現(xiàn)階段測試方面的不足。

1 大功率資源板總體設計

大功率資源板具有限壓限流保護、檢驗診斷、校準等功能，可通過測試系統(tǒng)的GPIB接口連接通用測量儀器、儀表，對大功率資源板進行診斷和校準。限壓限流的保護功能可保護由于過壓或過流引起的大功率資源板以及被測芯片燒毀的情況。檢驗診斷的功能可檢測資源板的工作狀態(tài)，測量準確度等是否正常，并在出現(xiàn)故障時進行自動診斷。校準功能可對資源板的精度進行自動校準，并將校準信息存儲到資源板上，保證資源板的精度，使其達到最佳狀態(tài)，從而提高了測試系統(tǒng)的使用效率并保證了測試質(zhì)量。

大功率資源板主要包括閃存、大功率精密測量單元兩部分，如圖1所示?？刂齐娐分饕δ苁桥c計算機通信、控制閃存、DA、AD轉(zhuǎn)換；閃存可將校準參數(shù)進行存儲；大功率精密測量單元可通過控制DAC和ADC來改變施加的電壓或電流值，并進行實時測量；DA與AD則可完成數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換。資源板工作時，計算機通過控制電路控制DA轉(zhuǎn)換器將模擬量傳入施加電路，通過施加電路將電壓或電流施加至負載，即完成施加過程；同時，測量電路將負載的電流或電壓值回傳到AD轉(zhuǎn)換器，控制電路控制AD轉(zhuǎn)換，并回傳至計算機，即完成測量。

2 大功率資源板硬件設計

大功率資源板硬件設計主要由大功率精密測量單元與閃存組成。而硬件部分的核心內(nèi)容是大功率精密測量單元。

圖1 總體框圖

2.1 大功率精密測量單元工作原理

大功率精密測量單元主要具有施加電壓測量電流（FVMI）和施加電流測量電壓（FIMV）2種工作方式，同時還有檢驗診斷、校準等功能。其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 大功率精密測量單元工作原理框圖

大功率精密測量單元施加電壓測量電流時，繼電器K1、K2、K3閉合，計算機通過總線向控制電路發(fā)出指令使其輸出適當?shù)臄?shù)據(jù)至DA數(shù)模轉(zhuǎn)換電路并傳送至電壓源電路，電壓源電路將施加出所需電壓至被測器件（DUT）管腳。減法器電路將采樣電阻R兩端的電壓差值傳送至AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，控制電路接收AD傳送的數(shù)據(jù)并將其返回給計算機處理，從而得出電流值。大功率精密測量單元施加電流測量電壓時，繼電器K4、K5、K6閉合，計算機通過總線向控制電路發(fā)出指令使其輸出適當?shù)臄?shù)據(jù)至DA并傳送至電流源電路，電路源電路將施加出所需電流至DUT管腳。電壓跟隨電路將DUT管腳電壓傳送至AD，控制電路接收AD傳送的數(shù)據(jù)并將其返回給計算機處理，從而得出電壓值。由于電阻R決定了電壓源輸出電流的大小，可以通過改變電阻R的值來改變相同電壓下輸出電流的大小。

本設計中的電壓源電路、減法器電路、電壓跟隨電路、電流源電路均采用APEX公司的PA12芯片進行設計，它是為驅(qū)動電阻、電感和電容而設計的高壓、大輸出電流運算放大器，具有低熱阻值、折線式限流保護、出色的線性度、寬電源范圍：±10V～±50V，大輸出電流：高達±15A峰值等特點，滿足大功率精密測量單元的設計要求。

2.2 大功率精密測量單元校準及參數(shù)存儲

由于存在DA輸出、AD采樣、電阻精度等誤差，因此電路設計完成后電壓和電流精度難以達到設計要求，這需要對大功率精密測量單元進行校準，通過利用外部高精度數(shù)字萬用表測量電壓施加實際值，將電壓實際值修正到理論值，以減小電壓施加誤差。大功率精密測量單元電壓測量、電流施加、電流測量均采用這種校準方法，校準后將校準參數(shù)寫入閃存中，進行電壓、電流的施加和測量時，從閃存中讀取校準參數(shù)。這樣即能保證大功率精密測量單元的精度，又能在大功率精密測量單元斷電后正確的保存校準參數(shù)。

3 大功率資源板軟件設計

系統(tǒng)軟件是測試系統(tǒng)的靈魂，是測試系統(tǒng)正常可靠運行的基礎。它的操作系統(tǒng)選用Win 2000/Win XP，采用基于C++語言的面向信號測試程序接口，使測試程序具有C++語言的靈活性。利用VC++來開發(fā)操作界面和控制軟件，進行自檢與校驗控制函數(shù)的編寫。本系統(tǒng)的自檢、校準軟件的設計實現(xiàn)分別如圖3、圖4所示。

3.1 自檢軟件設計實現(xiàn)

圖3 自檢軟件結(jié)構(gòu)

初始化：對大功率資源板進行復位，選板。

功能自檢：功能自檢包括加流測壓、加壓測流、加流限壓、加壓限流四項自檢功能。通過功能自檢的結(jié)果判斷大功率資源板輸出參數(shù)的正確性。

3.2 校準軟件設計實現(xiàn)

圖4 校準軟件結(jié)構(gòu)

校準流程控制：依次對電壓施加、電壓測量、電流施加、電流測量精度進行校準，在電壓、電流的校準項目中，首先進行電壓、電流的施加或測量，再讀取萬用表的測量值，然后進行校準參數(shù)計算，最后調(diào)用計算機控制軟件中閃存數(shù)據(jù)存儲程序?qū)?shù)寫入閃存中。

萬用表控制：通過集成電路測試系統(tǒng)的GPIB接口讀取高精度數(shù)字萬用表的測量值。

校準參數(shù)計算：利用理論值和實際值計算校準參數(shù)。

校準結(jié)果驗證：將校準后的電壓、電流的施加和測量值與高精度萬用表的測量值進行比較，判斷校準結(jié)果的正確性。

4 設計驗證

大功率資源板設計完成后分別對大功率電阻進行加流測壓、加壓測流的測試驗證，其輸出電流可達到5A，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文介紹了一種大功率資源板的設計，目前它已應用到集成電路測試系統(tǒng)中，用于測量電源管理等芯片的電參數(shù)。此設計彌補了現(xiàn)階段對電源管理等芯片等測試方面的不足，對此類芯片的測試精度和規(guī)范化都有了很大程度的提高。

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[3]《現(xiàn)代集成電路測試技術(shù)》編寫組.現(xiàn)代集成電路測試技術(shù)[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[4]PA12數(shù)據(jù)手冊. http://www.apexmicrotech.com