ZHCAEA3 August 2024 TPSM82912 , TPSM82913 , TPSM82916 , TPSM843320 , TPSM843620 , TPSM843820 , TPSM843A22 , TPSM843A26 , TPSM843B22 , TPSM8D6B24 , TPSM8D6C24 , TPSM8S6C24
由于人工智能 (AI)、5G、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和電動汽車 (EV) 的快速發(fā)展，近年來對半導(dǎo)體測試儀和自動測試設(shè)備 (ATE) 的需求持續(xù)增長。這些行業(yè)的芯片越來越復(fù)雜，因此需要更強(qiáng)大、更精確的 ATE 來進(jìn)行測試。在設(shè)計半導(dǎo)體測試設(shè)備的電源時，隨著這些測試儀的復(fù)雜性不斷增加，通常會導(dǎo)致電流要求不斷提高，并需要考慮許多其他特殊注意事項。
選擇直流/直流轉(zhuǎn)換器時，通常對噪聲和頻率有嚴(yán)格的要求，以避免影響設(shè)備的測量能力。同樣，許多測試儀使用高功率 FPGA，后者通常需要低紋波內(nèi)核電源軌。最重要的是，半導(dǎo)體測試設(shè)備追求盡可能高的功率密度和盡可能小的設(shè)計尺寸。本文介紹了使用降壓穩(wěn)壓器為半導(dǎo)體測試和 ATE 提供電源時所面臨的常見設(shè)計挑戰(zhàn)。
表 1 列出了推薦用于半導(dǎo)體測試和 ATE 電源設(shè)計的直流/直流降壓穩(wěn)壓器，其中包括具有外部頻率同步功能的模塊（集成電感器）和轉(zhuǎn)換器（集成 FET、獨立電感器）。
| 類型 | 模塊 | VIN | IOUT | 尺寸 | 特性 | 轉(zhuǎn)換器 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 功率密度高 | TPSM843320 | 4V–18V | 3A | 3.5mm × 3.5mm × 1.6mm | 高效率，ACM，±0.5% 精度，可選 FSW：500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz、2.2MHz、FSYNC。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動。 | TPS543320 |
| TPSM843620 | 4V–18V | 6A | TPS543620 | |||
| TPSM843820 | 4V–18V | 8A | TPS543820 | |||
| TPSM843A22 | 4V–18V | 12A | 6.5mm × 7.5mm × 4.0mm | 高效率，ACM，±0.5% 精度，可選 FSW：500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz、2.2MHz、FSYNC。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動。 | TPS543A22 | |
| TPSM843A26 | 4V–18V | 16A | TPS543A26 | |||
| TPSM843B22 | 4V–18V | 20A | TPS543B22 B25 |
|||
| 低噪聲和低紋波 | TPSM82912 | 3V–17V | 2A | 4.5mm × 5.5mm × 1.8mm | 無需低壓降 (LDO) 和無源后置濾波，低噪聲和低紋波，CM，展頻調(diào)制，F(xiàn)SW：1MHz、2.2MHz、FSYNC。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動。 | TPS62912 |
| TPSM82913 | 3V–17V | 3A | TPS62913 | |||
| TPSM82914 | 3V–17V | 4.5A | 4.0mm × 4.7mm × 2.9mm | 無需 LDO 和無源后置濾波，低噪聲和低紋波，CM，展頻調(diào)制，F(xiàn)SW：1MHz、1.4MHz、2.2MHz、FSYNC。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動。 | TPS62914 | |
| TPSM82916 | 3V–17V | 6A | TPS62916、TPS62918 | |||
| 具有遙測功能的 PMBus? | TPSM8S6B24 | 4V–16V | 25A | 16mm × 11mm × 4.3mm | 具有遙測功能的 PMBus，堆棧 x4，CM，F(xiàn)SW：275kHz 至 1100kHz、FSYNC。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動。 | TPS546B24S |
| TPSM8S6C24 | 4V–16V | 35A | TPS546D24S | |||
| TPSM8D6B24 | 4V–16V | 50A（雙路 25A） | 16mm × 20mm × 4.3mm | 具有遙測功能的 PMBus，堆棧 x2，CM，F(xiàn)SW：275kHz 至 1100kHz、FSYNC。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動。 | TPS546B24A | |
| TPSM8D6C24 | 4V–16V | 70A（雙路 35A） | TPS546D24A | |||
| 24V 輸入 | TPSM84338 | 4.5V–28V | 3A | 3.3mm × 4.5mm × 2.0mm | 寬電壓范圍，CM，F(xiàn)SW：200kHz 至 2.2MHz，F(xiàn)SYNC，展頻調(diào)制。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動。 | TPS54538、TPS54338 |
利用模塊設(shè)計減小尺寸
為了簡化電源設(shè)計并更大限度地減小 PCB 尺寸，請使用降壓模塊而不是降壓轉(zhuǎn)換器。以 TPSM843620 和轉(zhuǎn)換器版本 TPS543620 為例：測得的 TPS543620 轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計總尺寸約為 100.8mm2，而測得的 TPSM843620 模塊電路設(shè)計僅為 66mm2，尺寸減小了 44%。圖 1 展示了尺寸減小情況。TPS543620 和 TPSM843620 的 PCB 設(shè)計尺寸均根據(jù)數(shù)據(jù)表中針對相同應(yīng)用的建議進(jìn)行選擇。
圖 1 TPS543620 和 TPSM843620 之間的 PCB 尺寸比較電源挑戰(zhàn)
功率密度
對于 ATE 電源設(shè)計，隨著功率需求增加，電路板面積和 Z 高度通常是限制因素。因此，通常會為負(fù)載點設(shè)計選擇電源模塊，因為這些模塊可實現(xiàn)盡可能小的 X-Y 尺寸。TI 的新型 TPSM843B22 降壓模塊是一款支持電源設(shè)計人員優(yōu)化功率密度設(shè)計的器件。該器件采用 6.5mm× 7.5mm 封裝，提供 20A 電流，并具有蝶形 布局。當(dāng)與集成電感器結(jié)合使用時，該布局可實現(xiàn) 212mm2 的優(yōu)化對稱布局并采用僅 4mm 高的超模壓封裝，如圖 2 所示。圖 3 展示了該器件的示例 PCB 布局的對稱性質(zhì)。借助這種對稱設(shè)計，能夠以最低的成本實現(xiàn)更高的功率密度和更佳的熱性能。
圖 2 超模壓 TPSM843B22 封裝
圖 3 TPSM843B22 示例 PCB 布局低噪聲排放
半導(dǎo)體測試儀中使用的許多 ADC、DAC 和 AFE 都需要具有極低電壓紋波或 1/f 噪聲水平的負(fù)載點 (PoL) 電源。過去，設(shè)計人員使用直流/直流轉(zhuǎn)換器降低電壓，然后使用 LDO 對 PoL 電源進(jìn)行平滑處理，從而解決了該問題。這種方法的問題在于，添加 LDO 會增加所需的布板空間，并導(dǎo)致設(shè)計效率降低。借助 TPSM8291x 系列器件，設(shè)計人員能夠完全放棄 LDO，而僅使用降壓模塊，從而在不犧牲效率的情況下實現(xiàn)出色的功率密度和噪聲性能。
該器件的控制器設(shè)計為在 100Hz 至 100kHz 范圍內(nèi) 1/f 噪聲規(guī)格小于 20μVRMS。這樣低頻噪聲和所有相關(guān)諧波就不會影響 PoL 電壓。1/f 噪聲的衰減可以通過調(diào)整連接到 NR/SS 引腳的電容來實現(xiàn)。TPSM8291x 系列還具有集成環(huán)路補償功能，允許設(shè)計人員添加第二級 L-C 濾波器。這使得能夠在反饋環(huán)路內(nèi)添加鐵氧體磁珠，從而將輸出紋波降低至 < 10μVRMS。這項功能非常實用，可實現(xiàn)非常安靜的 PoL 電源軌。該器件還支持可選的展頻調(diào)制。雖然一些測試儀追求頻率信號的可預(yù)測性和一致性，但展頻功能的頻率隨機(jī)化使設(shè)計人員能夠?qū)?EMI 和電壓紋波分散到更寬的頻帶上，從而降低紋波或 EMI 信號中的任何峰值。圖 4 展示了展頻對 VOUT 紋波快速傅里葉變換 (FFT) 的影響。圖 5 展示了鐵氧體磁珠能夠放置在基于集成補償網(wǎng)絡(luò)的反饋環(huán)路內(nèi)的位置。
圖 4 TPSM82913 12VIN 至 3.3VOUT、1A、2.2MHz 時的 VOUT 紋波 FFT
圖 5 采用集成式鐵氧體磁珠濾波器補償?shù)牡湫?TPSM82913 應(yīng)用效率
效率也是 ATE 電源設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。使用效率較差的降壓設(shè)計會消耗過多的能量，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)熱問題。TI 的新型 TPSM843620 是一款高效的 6A 降壓模塊，輸入電壓范圍為 4V 至 18V，輸出電壓范圍為 0.5V 至 5.5V，輸出電流為 6A，并且封裝尺寸較小 (3.5mm× 3.5mm× 1.6mm)。如圖 6 所示，該器件在以 1MHz 開關(guān)頻率進(jìn)行 12V 到 3.3V 的轉(zhuǎn)換時，可實現(xiàn)約 92% 的效率。
圖 6 TPSM843620 在 12VIN 時的效率監(jiān)測電源參數(shù)
為了進(jìn)行監(jiān)控或簡化調(diào)試，有時在 ATE 電源設(shè)計中首選具有 PMBus 等數(shù)字接口的降壓穩(wěn)壓器，尤其是用于更高電流的電源軌時。通過將降壓穩(wěn)壓器與帶有遙測功能的 PMBus 接口搭配使用，可以輕松監(jiān)控實時輸出電壓并進(jìn)行高精度電壓調(diào)節(jié)。圖形用戶界面 (GUI) 可以監(jiān)控溫度和輸出電流等各種參數(shù)，并可針對過警告和過故障設(shè)置不同的響應(yīng)。該工具可在 Fusion Digital Power Designer 工具頁面中找到。圖 7 展示了可在其中更改規(guī)格和修改直流/直流穩(wěn)壓器的 GUI 屏幕。
因此，即使相關(guān)的 FPGA 不使用 PMBus 與直流/直流模塊進(jìn)行通信，PMBus 也是一個很有吸引力的選項。設(shè)計人員無需調(diào)整無源器件，即可在原型設(shè)計和測試階段通過數(shù)字方式更改參數(shù)，并在最終生成電路板時通過引腳配件來將所有外部無源器件設(shè)置為控制運行。這可以在原型設(shè)計過程中節(jié)省大量焊接時間和麻煩，從而在開發(fā)過程中節(jié)省時間和成本。
TPSM8S6C24 是 TI 的新款 35A 降壓模塊，具有 PMBus 和遙測功能以及擴(kuò)展安全功能，輸入電壓范圍為 2.95V 至 16V，輸出電壓為 0.5V 至 3.6V。擴(kuò)展安全功能通過提供寫入鎖定保護(hù)來盡可能地減少錯誤或惡意寫入命令的風(fēng)險，無需重新設(shè)計硬件，只需少量固件修改即可實現(xiàn)。有關(guān)擴(kuò)展安全功能的詳細(xì)信息，請參閱 TPS546D24S 和 TPSM8S6C24 中的擴(kuò)展安全功能。
圖 7 監(jiān)視器屏幕結(jié)語
設(shè)計 ATE 電源需要考慮設(shè)計尺寸、噪聲排放、效率和電源參數(shù)監(jiān)測。TI 提供廣泛的降壓模塊和轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品系列，能夠有效解決從 3A 到 140A 負(fù)載電流要求的各種電源設(shè)計難題。