更高电流的供给与测量方案

太阳能电池、电源管理器件、高亮度LED和RF功率晶体管的特性分析等高功率测试应用经常需要高电流，有时需要高达40A甚至更高的功率，MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）将需要100A以上的电流。但是，通常单电源技术指标中规定的DC电流最大值是有限制的。这项指标的限制通常取决于电源的设计、仪器中使用分立器件的安全工作区域，内部印制电路板上的金属线间距等。如果想增大电流输出并且使用SMU（Source Measurement Unit，源测量单元），可以采用多种测试模式和多个通道。

虽然DC电流源通常不允许使用脉冲输出，但是可以自己搭建脉冲电路。对于MOSFET或IGBT等功率器件的测试来说，脉冲源常常十分重要，因为DC测试电流会使DUT的电阻值因焦耳热产生偏移。虽然可以使用高功率脉冲发生器，但是它们不具备内建测量功能，因而高功率脉冲发生器要求用脉冲测试信号同步分立电表的工作。

脉冲扫描实现更高的功率
可以用脉冲扫描代替直流扫描以获得更高功率的I-V扫描，而且不影响测试结果。但是，使用电容器等DUT时，脉冲扫描则比不上直流扫描，因为在电压脉冲的陡峭边界会产生较大的位移电流，进而改变这些器件的电气特性。另一方面，脉冲I-V测试对于得到其他类型器件的最优测试结果（例如高功率RF功放，甚至低功率纳米级器件）来说非常重要。在高功率连续波（CW）测试中，半导体材料本身会以热量的形式消耗输入功率。随着器件中的材料变热，传导电流会降低，因为载流子和震动的晶格碰撞得更频繁（声子散射）。因此，由于自发热效应使电流的测量结果被错误地降低了。假定这些类型的器件通常工作在脉冲模式下（即，断续地而不是连续地），偏低的DC电流测量结果就不能准确反应这些器件的性能。在上述情况下，必须采用脉冲测试。

从使用直流扫描转换到使用脉冲扫描时，必须考虑以下两个因素。脉冲必须足够宽才有充足的时间让器件瞬态、导线连接和其他接口电路达到稳定，以使系统的测量稳定、可重复。但是，另一方面，脉冲宽度又不能超过测试仪器的最大脉冲宽度和占空比极限，从而违反仪器允许的功率占空比。脉冲过宽还会产生与DC扫描同样的器件自发热问题。

组合多条SMU通道实现更高DC电流
组合SMU通道实现更高DC电流最常用的方法是在DUT的两端并行连接电流源，如图1所示。

图1 组合多条SMU通道实现更高DC电流

此测试设置利用了著名的电学定律（基尔霍夫电流定律），它阐明了如果两个电流源并行连接到同一个电路节点，那么它们的电流将相加。这两台SMU都输出电流并测量电压。这两台SMU的全部LO阻抗端子（FORCE和SENSE）都接地。表1提供了这一特定配置的特性概要。

应当将SMU1和SMU2的输出电流设置为相同极性以获得最大输出。只要有可能，就将一台SMU配置为固定源，另一台SMU执行扫描。这有助于让两台SMU实现同步扫描。如果两台SMU都在扫描，那么它们的输出阻抗会自然而然地变化(例如，当仪表自动量程扩大或缩小时)。DUT输出阻抗还会显著变化，例如，从高阻抗的关断状态到低阻抗的导通状态。随着电路中许多阻抗元件的变化，会导致整个电路在每个偏置点上的建立时间延长。虽然这种瞬态效应会逐渐消失，但是固定将一台SMU作为源并将另一台SMU用于扫描，通常可以增加稳定性并缩短瞬态测量返回稳态的时间，进而实现更高的测试吞吐量。

融合脉冲扫描与多条组合的SMU通道
新的SMU架构简化了脉冲扫描法的功率增强优势与多条SMU通道并行工作的融合。例如，某些双通道SMU支持SMU通道数量从双通道增至四通道。使用脉冲扫描以及多通道功能输出的电流比使用一台SMU和DC扫描输出的电流更高。显然，实现该测试方法要格外注意保证人身安全。为了安全起见，隔离或安装障碍物对于防止用户接触带电电路来说非常重要。需要额外的保护技术防止损坏测试设置或DUT。多路脉冲必须紧密同步（达到纳秒级精度），从而一台设备不会提前上电并会损坏其他还没上电的单元。

图2给出了吉时利工程师使用一台SMU产生10A脉冲的实验举例的结果，此结果用示波器观察。测试DUT采用高功率精密电阻器（0.01W，±0.25%，KRL R-3274），脉冲宽度为300μs。示波器示出了幅度为0.1V（10A×0.01Ω）宽度为300μs的近似方波。组合4台并行的SMU输出40A脉冲至相同的DUT得到0.4V幅度的波形和通道之间的紧密同步（低抖动）。采用相同的测试设置和脉冲波形就能验证脉冲的一致性。

图2 使用一台SMU产生10A脉冲的实验结果

使用脉冲性能验证，工程师设置了4台组合SMU的脉冲扫描并取P-N二极管DUT上的I-V曲线（如图3所示）。值得注意的是，一台SMU的DC扫描达到3A与一台SMU的脉冲扫描达到10A的相关性。从而，工程师将可实现的I-V曲线扩展至40A。

图3 I-V曲线

此实验验证了4台SMU通道和脉冲组合在二端器件（电阻器和二极管）上实现40A的有效性。通过修改，该技术在用于测试高功率MOSFET等三端器件时同样有效。

使用多台SMU的脉冲扫描方法时，以下几种实施因素对于最大程度提高测试结果的准确度和精度来说至关重要。

● 使用源回读：SMU的源和测量功能内建在同一单元中，因此能用其测量电路回读施加电压的真实值。源电压的设置值与施加到DUT的实际电压不一定相等；使用多台并行的SMU，源的偏移量可能累加达到很大，所以使用源回读能清晰了解实际的源电平，而不仅仅是设置电压。

● 四线测量：四线（Kelvin）测量在进行大电流测试时非常必要，因为此技术通过将两条极高阻抗的电压感测（SENSE）线接至DUT，避开了测试线压降。由于SENSE线上的电流非常小，从SENSE端子看到的电压基本等于未知电阻两端的电压。在40A电流条件下，即便测试线缆有极低的电阻，如10mΩ，都会产生0.4V的压降。所以，如果SMU在40A电流条件下施加1V电压并且线缆电阻为10mΩ并采用两条测试线，那么DUT可能仅得到0.2V的电压，其中测试线缆上有0.8V的压降。

与主要影响源值的源回读不同，4线测量由于消除了可能影响测量结果的载流线压降，所以能得到准确度高得多的源值和测量值。

● 每个DUT节点只放置一个电压源：在许多测试序列中，电压扫描（施加电压）和测量电流（FVMI）很常见。在一台以上的SMU并行连接至器件一个端子的情况下，就将全部SMU置为电压源模式并测量电流。但是，必须考虑以下三个因素：

① 输出电压的SMU处于极低阻抗状态。

② DUT的阻抗可能高于处在电压源模式下SMU的阻抗。DUT的阻抗可以是静态或动态的，并且在测试序列期间会改变。

③ 即使当全部并行的SMU都设置输出同等电压时，SMU之间存在着与仪器电压源准确度有关的微小变化，这意味着SMU通道之一会比其他通道的电压略低（毫伏级的幅度）。所以，如果3台并行的SMU连接到DUT的一个端子，并且每台SMU施加电压和输出接近最大值的电流，并且DUT处于高阻态，那么所有电流将流向输出电压略低的那台SMU并很可能损坏它。因此，当并行的SMU连至DUT的一个端子时，必须仅一台SMU输出电压。参见图4，了解并行SMU连接的正确方法和错误方法。

图4 并行SMU连接的错误配置和正确配置

图4a：这种错误配置可能出现高电流并损坏源电压略低于其他SMU的那台SMU。图4b:这种准Kelvin配置，虽然不存在和第一种配置同样的仪器损坏风险，但引入了附加的测量误差，该误差必须记入系统误差计划中，而且限制了此SMU的最大输出。图4c:这种“混合”方法能防止SMU损坏并支持增加SMU电流源，以达到应用的电流源要求。

● 减轻由于接触故障造成过高能耗：当两台具有同等输出容量的SMU并行接到电路的单个节点时，一台SMU必须能吸收另一台SMU输出的全部电流。例如，当其中一条测试线断开与器件的连接时（例如，当测试线突然断开或接触不当时），有可能出现这种情况。这意味着，在一小段时间内，一台SMU必须吸收另一台SMU的电流。但是，当两台以上的SMU并联至一个电路节点时，一台SMU就不能吸收其他SMU的全部电流。如果与器件的连接断开，被迫吸收电流的SMU正处于最低电位或最低阻抗，而且很有可能正在输出电压。为了保护施加电压SMU的信号输入，可以使用诸如1N5820的二极管。推荐使用二极管的原因是因为保险丝反应太慢了，不能提供保护，而且使用电阻器将造成电阻器上的压降过大。二极管的响应比保险丝快得多，而且其上的最大压降比电阻器小得多（典型值约为1V）。但是，为了让这种方法真正安全，必须使用二极管保护所有在电路配置中的SMU。这是因为，如果DUT进入高阻状态，那么电流源试图将电流施加到正在输出电压的SMU，但是这种情况对于采用二极管保护的正在输出电压的SMU来说不可能出现。这会使输出电流的SMU提高其输出电压，直至达到其电压极限。一旦出现这种情况，电流源将不得不顺应并成为电压源。这就意味着，现在有多个并行的电压源。即使它们的电压极限设置为完全相同，但是它们的输出还可能略微不同并有可能互相损坏。

重要的是，需要注意将每台仪器安装一颗二极管并且配置中的每台SMU都受到影响。首先，电路配置中包含二极管就意味着这种方法只能用于输出功率，但是不能吸收功率，因为二极管不允许电流流进SMU。第二个影响是，为了获得最大输出电压，需要绕过二极管使用4线连接电流源，因为二极管的压降会使电流源提前达到顺应状态。在这些电流幅度上，二极管压降的典型值约为1V。

结论
对于宽范围的电子器件，SMU提供了一种设计测试和测量系统的简单、集成度高的方法。越来越多的测试应用需要源和/或测量更高电流的能力，本文介绍的技术提供了组合分立源与测量仪器的实用、经济有效的替代方法。

附：接线与测试设备安全性的考虑

通常，测试接线和测试连接都必须使DUT和SMU之间的电阻值（R）、电容值（C）和电感值（L）达到最小。为了使电阻值最小化，在任何可能的地方并且肯定在测试设备之内，使用较大规格的电线。需要的规格取决于承载电流的幅度；例如，对于必须承载40A的接线，大概需要12号的线缆。

低阻线缆对于防止仪器损坏非常重要。选择低于30mΩ/m的电缆或更低电阻值的线缆用于10A脉冲。让电缆长度尽量短，并且永远使用低电感电缆（例如，双绞线对或低阻抗同轴型）、大规格电缆以限制线缆上的压降。通过检查SMU电压输出的裕量指标以确保该压降没有过大。例如，如果使用2602A型SMU输出20V，那么测试线的压降不应超过3V才能避免测试结果不准确或仪器损坏。规定HI和SENSE HI端子间的最大电压为3V并且LO和SENSE LO端子间的最大电压为3V。

虽然许多人认为防护能最大程度降低线缆的充电效应，但这通常是高压测试而不是高电流测试需要关心的。四线Kelvin连接必须尽可能靠近DUT；每毫米长度得到的测量结果都会不同。

而且，应当注意的是，应当用SMU施加电压进行电压回读，因为正在输出电流的SMU的电压读数由于连接的情况会有很大变化，而且与DUT上实际看到的不同。

测试设备上使用的插座必须是知名的高质量插座。例如，某些红色插座使用大量铁制材料以获得红色效果，但由于导电会导致不可接受的大量泄漏。插座之间的电阻值应当尽可能高，而且在任何情况下都大于1010Ω。

当测试FET或IGBT时，往往推荐在SMU和器件栅极之间加入电阻器。当大量脉冲电流经过这些类型的器件时，它们容易产生振荡。在栅极插入电阻器会衰减这些振荡，因此使测量稳定；由于栅极不吸收更多的电流，所以电阻器不会导致较大的压降。

如果测试序列中使用的电压超过40V，那么测试设备和SMU必须安装适当的互锁并按照正常的安全规程操作。

许多电气测试系统或仪器都能测量或输出危险的电压和功率电平。在单错误的情况下（例如，编程错误或仪器故障）也可能输出危险电平，甚至系统提示当前没有危险。对于保护操作人员在任何时候都远离所有危险来说，这些高电平非常关键。保护方法包括：

● 使用前，仔细验证测试方案的操作。

● 设计测试固定装置以防操作人员接触任何危险电路。

● 确保被测器件完全封闭，以保护操作人员免受飞溅碎片的伤害。

● 操作人员可能接触到的所有电气连接都必须双重绝缘。双重绝缘可以在其中一个绝缘层失效后还能确保操作人员的安全。

● 当测试装置盖打开时，使用可靠性高的失效-安全互锁开关断开电源。

● 只要可能，尽量采用自动机械手，进而操作人员无须接触测试装置的内部以及打开防护。

● 为系统的全部用户提供适当的培训，让大家理解所有潜在危险并知道如何保护自己不受伤害。测试系统设计工程师、集成工程师和安装工程师的责任是确保对于操作人员和维护人员的保护非常到位而且有效。