Düşük güçlü entegre devreler veya otomotiv sistemleri gibi karmaşık sistemlerin yüksek güvenilirlik ve yeterlilik derecesinde test edilmesi önemsiz bir iş değildir. Test parametrelerinin, voltaj ve akım aralıklarının, test dizilerinin ve uyumluluk standartları tarafından belirlenen kriterlerin sayısı, bu tür testleri son derece karmaşık ve zahmetli hale getirir.
Mühendisler bu tür görevleri kolaylaştırmak ve otomatikleştirmek için kaynak ölçerler gibi cihazlar kullanırlar.
Bu makalede, kaynak ölçüm cihazlarının inceliklerini, faydalarını ve geniş uygulama alanları ele alındı.
Kaynak ölçer nedir?
Kaynak ölçer (veya kaynakmetre), doğru akımı (DC) veya gerilimi ölçerken aynı zamanda bunları kaynaklayan/besleyen veya batıran/alan bir alettir. Kaynak ölçüm birimi (SMU) olarak da bilinir.
Yüksek hassasiyetle eşzamanlı ölçüme ek olarak, kaynak ölçerler aşağıdaki özellikleri nedeniyle benzersizdir:
- Tek bir pakette birçok cihaz: Bir SMU, güç kaynağı, elektronik yük, voltmetre ve ampermetrenin işlevselliğini birleştirir.
- Hem kaynak hem de batırma özellikleri: Bir kaynak ölçer hem güç kaynağı hem de güç yutucusu olabilir. Bu, daha sonra derinlemesine açıklayacağımız bir kavram olan voltaj-akım düzleminin dört çeyreğinde de çalışma olarak adlandırılır. Bu, birçok uygulamayı test etmek için gerekli bir özelliktir.
- Hızlı yerleşme süreleri: Diğer cihazlarla karşılaştırıldığında SMU'lar ayarlanan gerilimlere veya akımlara hızla ulaşabilir. İyi SMU'ların tipik yerleşme süreleri onlarca ila yüzlerce mikrosaniye mertebesindedir.
- Modlar arasında yüksek hızlı geçişler: Bir SMU'nun birçok karakterizasyon testi için gerekli olan kritik bir özelliği, gerçek dünya koşullarını simüle etmek için farklı kaynak ve alıcı modları arasında hızla geçiş yapabilmesidir.
Bir kaynak ölçer gerilim ve akımın aynı anda hem kaynaklanmasını hem de ölçülmesini nasıl kolaylaştırır?
Kaynak metreler hangi sorunları çözmeye çalışır? Bu bölümde kaynak metrelere olan ihtiyacı bir örnekle daha iyi anlayalım.
Tipik bir diyotun akım-voltaj (IV) karakteristiği aşağıdaki gibi karmaşıktır:
- İleri beslemeli olduğunda diyot, voltaj ileri voltajın üzerine çıkana kadar akımı engeller.
- Ters beslemeli olduğunda diyot açık devre gibi davranır. Ancak küçük bir kaçak akım içinden geri akar.
- Bununla birlikte, negatif voltaj bir eşik arıza voltajının ötesine geçerse, diyot bir tel gibi davranarak yüksek amperlerin ters yönde akmasına izin verir.
Karmaşık doğrusal olmayan davranışları nedeniyle, mühendisler diyotları bir dizi pozitif ve negatif voltaj sağlayarak ve devreden geçen akımı ölçerek karakterize etmelidir. En azından bir güç kaynağı ve bir ampermetre kullanmaları gerekir.
Dahası, doğru ölçümler için akım ölçümünü ve voltaj taramasını minimum gecikmeyle dikkatlice senkronize etmeleri gerekir. Bir yaklaşım, iki cihazın senkronizasyonunu programlamak ve tüm testi yürütmek için özel bir yazılım kullanmaktır.
Açıkçası, tüm bunlar birkaç parça ekipman, önemli miktarda zaman ve dikkatli deneyler gerektirir.
Bunun yerine, sadece tek bir alet, bir SMU kullanarak masrafları, zamanı ve doğruluğu artırabilirsiniz. Gerekli voltaj aralığını adım adım taramak için voltaj kaynağını ayarlamanız yeterlidir. SMU, hızlı yerleşme süresi sayesinde aralık boyunca hızlı bir şekilde tarama yapar, her voltajda diyottan geçen ileri ve geri akımları ölçer, değerleri kaydeder ve veri aktarımı için kullanılabilir hale getirir.
Test edilen bir cihazı (DUT) karakterize etmek için, bir kaynak ölçer dört temel eşzamanlı kaynak ve ölçüm modunu destekler:
- Bir dizi gerilim kaynağı: Voltaj kaynağı modunda SMU, DUT'ye belirli bir çıkış voltajı sağlamak veya bir voltaj aralığında hızla tarama yapmak üzere yapılandırılır. SMU aynı anda DUT tarafından çekilen akımı ölçer ve kaydeder.
- Bir dizi akımı kaynaklayın: Akımı kaynaklarken SMU, DUT'a belirli bir akım sağlayacak veya bir dizi akım değerini hızla tarayacak şekilde yapılandırılır. SMU aynı anda DUT'deki doğru voltajı ölçer.
- Bir dizi gerilimi emer: Kaynak yerine SMU, belirli bir voltajda veya bir voltaj aralığında gezinirken bir kaynak DUT'tan (pil, güç kaynağı veya güneş pili gibi) güç alacak şekilde yapılandırılır. Aynı anda DUT'den çekilen akımı ölçer.
- Bir dizi akımı emer: Benzer şekilde SMU, DUT'den belirli bir akım çekecek veya bir akım aralığında gezinecek şekilde ayarlanır. Eş zamanlı olarak DUT üzerindeki gerilimi ölçer.
Bu ikili özelliğin avantajları nelerdir?
Güç alırken veya verirken voltaj veya akım ölçme yeteneği çeşitli teknik avantajlar sağlar: Son derece kararlı gerilim ve akım kaynağı: SMU'lar kendi akım ve voltaj çıkışlarının yüksek doğrulukta okumalarını ürettiklerinden, geleneksel güç kaynaklarına göre birçok avantaja sahiptirler. Tüm SMU'lar, kaynak devresine anlık geri bildirim sağlayan dahili geri bildirim döngülerine sahiptir, bu da yük koşulları beklenmedik şekilde değişse bile SMU çıkışının doğru ve kararlı kalmasını sağlar. Ayrıca, voltaj ve akım sınırlama özellikleri cihaz hasarını önler.
Kaynak ve ölçümün doğru zamanlama kontrolü: Kaynak ve ölçüm kaynaklarının bir SMU'ya entegre edilmesi, ayrı cihazlarla mümkün olandan çok daha sıkı bir senkronizasyon sağlar. Bazı SMU'lar, ölçüm noktalarının kaynaklı akım veya gerilim dalga biçiminden bağımsız olarak yapılandırılmasına olanak tanıyan çok esnek tetikleme seçenekleri sunar.
Düşük ölçüm hataları: Kaynak ve ölçüm devreleri yakından bağlantılı olduğundan, ölçüm hatası ve gecikme süresi birden fazla enstrüman kullanmaya kıyasla çok düşüktür.
İki veya üç enstrüman yerine tek bir enstrüman: Tek bir SMU kurmak, bir bilgisayar, bir güç kaynağı ve bir ampermetre veya multimetre kurmaktan çok daha kolay ve hızlıdır. Bir SMU, birden fazla cihazı senkronize etme ihtiyacını ortadan kaldırarak, kablo karmaşasını azaltarak ve elektrik prizlerini serbest bırakarak test kurulumlarını basitleştirir.
Son derece kararlı gerilim ve akım kaynağı: SMU'lar kendi akım ve voltaj çıkışlarının yüksek doğrulukta okumalarını ürettiklerinden, geleneksel güç kaynaklarına göre birçok avantaja sahiptirler. Tüm SMU'lar, kaynak devresine anlık geri bildirim sağlayan dahili geri bildirim döngülerine sahiptir, bu da yük koşulları beklenmedik şekilde değişse bile SMU çıkışının doğru ve kararlı kalmasını sağlar. Ayrıca, voltaj ve akım sınırlama özellikleri cihaz hasarını önler.
Kaynak ve ölçümün doğru zamanlama kontrolü: Kaynak ve ölçüm kaynaklarının bir SMU'ya entegre edilmesi, ayrı cihazlarla mümkün olandan çok daha sıkı bir senkronizasyon sağlar. Bazı SMU'lar, ölçüm noktalarının kaynaklı akım veya gerilim dalga biçiminden bağımsız olarak yapılandırılmasına olanak tanıyan çok esnek tetikleme seçenekleri sunar.
SMU'ların ticari ve lojistik avantajları şunlardır:
- Daha düşük harcama: Tek bir cihaz satın almak genellikle iki ila üç ayrı cihaz satın almaktan daha ucuzdur.
- Daha düşük bakım ve kalibrasyon maliyetleri: Benzer şekilde, tek bir cihazın bakımı ve kalibrasyonu, ayrı cihazlara göre daha az toplam arıza süresi ile tipik olarak daha ucuzdur.
- Daha az laboratuvar alanı: Daha az sayıda cihaz daha az laboratuvar alanı kaplar ve muhtemelen kiralama veya leasing maliyetlerini düşürür.
Kaynak ölçerlerde uyumluluk gerilimi nedir ve yarı iletken cihazların ve diğer elektronik bileşenlerin test edilmesinde neden çok önemlidir?
Uyumluluk gerilimi, ölçülen gerilim üzerindeki yapılandırılabilir maksimum sınırdır. Voltaj bu yüksek voltaj sınırının üzerine çıkarsa SMU, hem cihazı hem de DUT'u korumak için gücü hızla kesecek ve kapanacak şekilde yapılandırılabilir.
Benzer şekilde, SMU ve DUT'yi yüksek akımlardan korumak için bir uyumluluk akım limiti de vardır.
Bir kaynak ölçerin güç kaynağı, güç analizörü ve multimetreden farkı nedir?
Bir kaynak ölçer, güç kaynağı ve dijital multimetrenin işlevlerini bir araya getirir.
Bir güç analizörünün aksine, bir SMU tipik olarak dalga formları oluşturmak ve bunları gerçek zamanlı olarak görüntülemek için herhangi bir osiloskop veya sinyal üreteci özelliğine sahip değildir. Bununla birlikte, PZ2100 serisi gibi bazı özel SMU'larda tepki dalga biçimlerini karakterize etmek için dahili sayısallaştırıcılar ve darbeli dalga biçimleri oluşturmak için pulserler bulunur.
Performans açısından, SMU'lar diğer cihazlara kıyasla çok hızlı yerleşme sürelerine sahip çok yüksek hızlı cihazlardır.
Bir kaynak metrenin dört kadranlı çalışması ne anlama gelir?
Daha önce de belirtildiği gibi, kaynak sayaçları hem güç sağlayabilir hem de alabilir ve bunlar arasında hızla geçiş yapabilir. Aslında bu yetenekler, aşağıda gösterildiği gibi dört kadrana bölünmüş bir voltaj-akım düzlemi kavramı kullanılarak daha doğru bir şekilde tanımlanabilir.
Şekil 1. Gerilim akım düzlemi ve kadranlar
Pozitif ve negatif voltaj veya akım ne anlama gelir? Normal bir DC güç kaynağı modunda, cihaz boyunca ayarlanan voltaj pozitif olarak kabul edilir ve DUT'nin aynı voltaja ulaştığı varsayılır. Karışıklığı önlemek için, cihazın test uçlarını "çıkış terminali" ve "dönüş terminali" olarak adlandıracağız. (Not: Çoğu SMU aslında bunları "Yüksek/Hi" ve "Düşük/Lo" olarak etiketler.)
Şekil 2. Karışıklığı azaltmak için bu makalede kullanılan SMU çıkış terminalleri için adlandırma kuralı
Normal güç kaynağı modu, hem voltajın hem de akımın pozitif olduğu birinci kadran işlemi olarak kabul edilir. Geleneksel akım, aşağıda gösterildiği gibi SMU'nun çıkış terminalinden DUT'un giriş terminaline, DUT'un çıkış terminalinden SMU'ya ve dönüş terminali üzerinden SMU'ya geri akıyor olarak kabul edilir:
Şekil 3. Gerilim ve akım akışı işaret konvansiyonları
Diğer üç çeyrek aşağıda gösterilmiştir;
Şekil 4. Dört kadrandaki gerilim polaritesi ve akım akışları
SMU ve DUT'un her bir kadrandaki çalışması aşağıdaki gibidir:
- İlk çeyrekte cihaz, karşısında pozitif voltaj bulunan bir kaynaktır ve çıkış terminalinden pozitif bir akım beslemektedir.
- İkinci çeyrekte cihaz, karşısında pozitif voltaj bulunan bir yük olarak hareket eder. Çıkış terminalinde DUT'den akım çeker veya alır.
- Üçüncü çeyrekte, cihaz yine akım sağlayan bir kaynaktır, ancak polaritesi geleneksel polaritenin tersidir ve dolayısıyla negatiftir. Bu, dönüş terminalinin çıkış terminalinden daha yüksek bir gerilime ayarlandığı, ancak DUT'a giden kablolamayı değiştirmediği anlamına gelir.
- Dördüncü çeyrekte, SMU yine bir yük gibi davranır. Gerilim negatiftir, yani dönüş terminali çıkış terminalinden daha yüksek bir potansiyeldedir. Ancak akım geleneksel olarak akar.
Hangi elektronik test ve üretim süreçlerinde kaynak ölçerler kullanılır ve bunlar hangi spesifik parametreleri ölçer?
Bazı yaygın SMU test uygulamaları aşağıda açıklanmıştır.
Birden fazla alanda düşük güçlü IC testi
Düşük güçlü entegre devreler (IC'ler) aşağıdaki gibi birçok alanda kullanılmaktadır:
- Genel elektronik: Mikro denetleyiciler ve sensörler gibi bileşenlerde kullanılırlar.
- Telekomünikasyon: Düşük güçlü IC'ler akıllı telefonlar ve giyilebilir cihazlar gibi tüketici cihazlarında kullanılır.
Düşük güçlü IC'ler son derece düşük akım ve voltaj seviyelerinde çalışır, ancak bu kadar küçük akım ve voltaj seviyelerinin doğru şekilde test edilmesi, sınırlı ekipman hassasiyeti nedeniyle zor olabilir. Ayrıca, uyku ve aktif modlar arasındaki karmaşık geçişler dinamik ve statik DC IV karakterizasyonu gerektirir. Devreler daha karmaşık hale geldikçe, test dizileri de daha karmaşık hale gelir ve ek test cihazları gerektirir.
Veri merkezi operasyonlarında optik cihaz testi
Yüksek düzeyde entegre optik cihazların test edilmesi, önemli sayıda hassas önyargı kaynağı gerektirir. Örneğin:
- Entegre ayarlanabilir lazerler, dalga boyunu hassas bir şekilde ayarlamak için lazer diyotları için hassas akım kaynaklarına ve her ısıtıcı için hassas öngerilim kaynaklarına ihtiyaç duyar.
- Tutarlı optik alıcılar, fotodiyotların foto akımını ölçerek optik sinyali düzgün bir şekilde elektrik sinyaline dönüştürmek için birden fazla hassas önyargı kaynağına ihtiyaç duyar. Tipik olarak, lazer diyotlu entegre bir tutarlı düzenek, test için 20 veya daha fazla hassas önyargı kaynağı gerektirir.
- Yüksek düzeyde entegre optik cihazlar, çok sayıda yüksek hassasiyetli güç kaynağı ve önemli bir alan gerektiren daha fazla test portuna ve bileşenine sahiptir.
- Bunların değerlendirilmesi, çok sayıda test portunda kapsamlı testler yapılmasını gerektirir ve bu da karmaşık test dizilerine ve bağlantılarına yol açar.
Entegre sayısallaştırıcıya sahip hepsi bir arada SMU olan PZ2100 gibi yüksek kanal yoğunluklu bir çözüm, gerekli test cihazlarını ve sistem ayak izini önemli ölçüde azaltır.
Otomotiv uygulamaları
Düşük güçlü IC'ler otomatik sürücü destek sistemlerinde, bilgi-eğlence sistemlerinde ve aydınlatmada yaygındır. Yukarıda açıklandığı gibi, SMU'lar düşük seviyeli voltaj ve akım seviyelerinin IV karakterizasyonu için kullanılır.
SMU'lar ayrıca elektrikli araçlarda akü şarjını test etmek için de kullanılır. Bu, DUT olarak batarya, SMU'da pozitif voltaj ve SMU'ya bataryadan akım girdiği için negatif akım ile ikinci kadran çalışmaya bir örnektir.
Bir başka otomotiv örneği de SMU'nun DUT'den (aracın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren rejeneratif frenleme devresi) güç almak için bir yük olarak kullanıldığı rejeneratif frenlemedir. Bu, dördüncü kadran çalışmasına bir örnektir. Voltaj negatiftir çünkü yüksek kinetik enerjilerde üretilen karşı elektromotor kuvvet akü voltajının üzerine çıkar. Akım, jeneratör aküyü şarj ederken aküden geçen pozitif akımı simüle etmek için pozitiftir.
Diyotlar ve LED testleri
SMU'lar, ters önyargılı diyotların ve düşük akımlı ışık yayan diyotların (LED'ler) kaçak akımını ve arıza voltajını ölçmek için kullanılır.
Yarı iletken karakterizasyonu
Kapsamlı yarı iletken testleri için hepsi bir arada cihaz karakterizasyon analizörü özelliklerine sahip Keysight B1500A gibi özel SMU'lar mevcuttur. Bunlar aşağıdaki gibi özelliklere sahiptir
- IV, kapasitans-voltaj (CV) ve dinamik IV dahil olmak üzere çoklu ölçüm teknikleri
- yeniden kablolama yapmadan kapasitans ve akım voltajı ölçümleri arasında sorunsuz geçiş yapabilme
- geleneksel test cihazlarini aşan ultra hizli geçi̇ci̇ olaylar
- Wafer seviyesinde ultra düşük akım DC transistör karakterizasyonu
Kaynak ölçüm cihazları dinamik ve geçici koşulları nasıl ele alır ve bu özellik belirli test senaryolarında neden gereklidir?
Hassas wafer seviyesi karakterizasyonunda, dielektrik absorpsiyon gibi olaylar nedeniyle hızlı geçici koşullar oluşabilir. Bu tür koşulların üstesinden gelmek için SMU'lar, bir taramanın başlangıcındaki tutma süresi ve geçici voltajların azalması için yeterli süre sağlamak üzere taramadaki her ölçüm noktası arasındaki gecikme süresi gibi voltaj taramaları üzerinde ince taneli kontrol sağlar.
Belirli bir uygulama için bir kaynak ölçer seçerken hangi hususlar dikkate alınmalıdır?
Kullanım durumunuz için bir SMU seçerken bu hususlara ve teknik özelliklere dikkat edin:
- SMU tarafından desteklenen gerekli çalışma kadranları ve kadranları
- voltaj tarama aralığı
- akım tarama aralığı
- yerleşme süreleri
- modlar arası geçiş süreleri
- eklenti modülleri ile karmaşık test dizileri için gerekli SMU kanal sayısı
Kaynak sayaçları otomatik test sistemlerine nasıl entegre edilebilir?
Kaynak ölçüm cihazlarını otomatik test ekipmanlarıyla kolayca entegre etmek için aşağıdaki gibi bağlantı seçeneklerine sahip kaynak ölçüm cihazlarını arayın:
- enstrümantasyon için LAN uzantıları (LXI) protokol desteği ile yerel alan ağlarına (LAN) ethernet bağlantısı
- evrensel seri veri yolu (USB) bağlantısı
- genel amaçlı arayüz veri yolu (GPIB) bağlantısı
Bu tür bir bağlantı, talep üzerine karmaşık test dizilerini çalıştırmak için SMU cihazlarını programlamanıza olanak tanır.
Verimli otomatik testler için bir diğer önemli unsur, programlama olmadan hızlı ölçümler için SMU'ların uzaktan kontrol edilmesini sağlayan yazılımdır.
Örneğin, PathWave BenchVue Güç Kaynağı Kontrol Uygulaması 20 kanala kadar SMU'yu destekler, yapılandırmalarını basitleştirir, çıkışlarını izler ve kaydeder ve IV ölçümlerini görselleştirmeye yardımcı olur.
Şekil 5. PathWave BenchVue Güç Kaynağı Kontrol Uygulaması
Benzer şekilde, PathWave IV Eğri Ölçüm Yazılımı, mühendislerin 20 kanala kadar SMU üzerinde senkronize IV ölçümleri yapmalarını ve herhangi bir programlama yapmadan sonuçları analiz etmelerini sağlar.
Şekil 6. PathWave IV Eğri Ölçüm Yazılımı
Verimli ve ekonomik test kurulumları için kaynak ölçüm cihazları
Bu makalede, kaynak ölçüm cihazlarının test kurulumlarının verimliliğini, tekrarlanabilirliğini, maliyetlerini ve ayak izlerini nasıl kolaylaştırdığını öğrendik.
Çok çeşitli genel amaçlı ve uzman cihazlarımız arasından kullanım durumunuz için en iyi SMU'yu seçmenize yardımcı olacak uzmanlık için bizimle iletişime geçin.
