DC/DC-Wandler: Die Source Measure Unit (SMU) vereinfacht komplexe Tests

| Autor / Redakteur: Lee Morgan * / Hendrik Härter

Komplexe Tests vereinfachen: Mithilfe einer SMU können Entwickler DC-DC-Wandler oder Field-Effect-Transistoren untersuchen. Ein komplizierter Messaufbau und verschiedene Geräte sind nicht notwendig.
Komplexe Tests vereinfachen: Mithilfe einer SMU können Entwickler DC-DC-Wandler oder Field-Effect-Transistoren untersuchen. Ein komplizierter Messaufbau und verschiedene Geräte sind nicht notwendig. (Bild: ©tilialucida - stock.adobe.com)

Eine SMU mit zwei Kanälen beschleunigt den Test von DC/DC-Wandlern oder unterstützt bei der Analyse von unterschiedlichen Field-Effect-Transistoren. Der Beitrag stellt die beiden Beispiele im Detail vor.

In der schnelllebigen Welt der Elektronik haftet der Komplexität etwas Negatives an und muss möglichst vermieden werden. So ist es auch für den Entwickler der Test- und Messtechnik. Denn ein einfacher Prüfaufbau spart nicht nur Zeit, sondern auch Kosten und Aufwand.

Mit einer Source Measure Unit (SMU) lassen sich viele gängige Messungen vereinfachen: Sie kombiniert Stromversorgung, Digitalmultimeter, Stromquelle und elektronische Last in einem Gerät. Solch ein Testinstrument ist außerdem viel vielseitiger als die einzelnen Instrumente allein und vereinfacht zudem den Testaufbau. Zudem lassen sich Messschritte reduzieren und das Fehlerpotenzial sinkt. Im Folgenden Beitrag stellen wir zwei Beispiele vor, wie eine SMU unterschiedliche Messungen vereinfachen können. Zuerst betrachten wir die Charakterisierung eines DC/DC-Wandlers mit einer SMU. Das zweite Beispiel erläutert den Test eines FET-Bauteils mit einer SMU.

Messungen an einem DC/DC-Wandler

Wie jedes andere Bauteil müssen auch DC/DC-Wandler von den Herstellern charakterisiert und von den Ingenieuren für ihre Designs evaluiert werden. Da die Produkte immer weniger Strom verbrauchen sollen, suchen die Entwicklungsingenieure nach Möglichkeiten, um die Effizienz bei der Energieumwandlung zu erhöhen. Zahlreiche Messungen sind erforderlich, um die elektrischen Parameter von DC/DC-Wandlern zu charakterisieren. Diese Tests umfassen:

Längsregelung, Lastregelung, Genauigkeit der Eingangs- und Ausgangsspannung, Ruhestrom, Wirkungsgrad, Einschaltzeit, Brummstörungen und Einschwingverhalten.

Die elektrische Charakterisierung von DC/DC-Wandlern erfordert es, dass die Spannung am Eingang (VIN) eingespeist und gemessen wird sowie der Eingangsstrom (IIN), die Ausgangsspannung (VOUT) und des Laststroms (IOUT) mithilfe einer Last gemessen wird. Aus diesen Messungen lassen sich der Wirkungsgrad und die anderen Parameter bestimmen. Der Wirkungsgrad ist für die meisten Designs entscheidend, besonders für batteriebetriebene Produkte, weil hiervon direkt die Laufzeit des Geräts abhängt. Mit konventioneller DC-Charakterisierung sind mehrere Digitalmultimeter, eine Stromversorgung und eine elektronische Last notwendig. Für den Entwickler ist es einfacher, wenn sich die vielen elektronischen Instrumente durch eine Zwei-Kanal-SMU ersetzen lassen. SMUs sind für einen Test unterschiedlicher I-U-Parameter von DC/DC-Wandlern gut geeignet, weil sie sowohl Strom als auch Spannung liefern und messen, sowie als elektronische Last arbeiten. Für einen vollständigen Test eines DC/DC-Wandlers ist zudem ein Oszilloskop notwendig, wobei das SMU die Eingangsspannung und den Laststrom liefert.

Der Einsatz eines einzigen Instruments vereinfacht die Testimplementierung, die Software und die Synchronisation, außerdem wird weniger Platz im Systemrack benötigt. Bild 1 zeigt, wie ein SMU-Kanal (Kanal 1) am Eingang und der andere SMU-Kanal (Kanal 2) am Ausgang des DC/DC-Wandlers angeschlossen wird. Für die Charakterisierung eines DC/DC-Wandlers müssen verschiedene elektrische Parameter geprüft werden. Wir konzentrieren uns auf die Lastregelung und Längsregelung, weil diese zu den häufigsten Tests gehören.

Was bei der Lastregelung zu beachten ist

Die Lastregelung bezieht sich auf die Fähigkeit des DC/DC-Wandlers, die angegebene Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, wenn sich der Laststrom (ILOAD) bei einem konstanten VIN ändert. Der Lastregeltest wird über den gesamten Bereich des Laststroms durchgeführt. Das Bild 2 zeigt einen typischen Messaufbau für den Lastregeltest mit zwei SMU-Kanälen. Der Kanal 1 liefert die Eingangsspannung und überwacht den Eingangsstrom. Der Kanal 2 wird als elektronische Last konfiguriert und nimmt einen Strom auf (Quelle für einen negativen Strom). In diesem Modus arbeitet das SMU-Instrument im vierten Quadranten als Stromsenke.

Die SMU-Kanäle werden als Remote-Sensing- oder Vier-Draht-Verbindungen konfiguriert. Mit einer Vier-Draht-Verbindung lässt sich der Leitungswiderstand kompensieren, da er sonst die Messgenauigkeit herabsetzt. Bei der Vier-Draht-Methode nutzen die Quellenausgänge eigene Testleitungen (zwischen Output HI und Output LO). Der Spannungsabfall wird über ein zweites Leitungspaar gemessen (Sense HI und Sense LO). Die Sense-Verbindungen zum Messobjekt sollten so kurz wie möglich sein, um den Leitungswiderstand zu minimieren, der sonst bei der Messung hinzugefügt wird.

Das Bild 3 zeigt die Ergebnisse eines typischen Lastregeltests, bei dem das Testobjekt am Ausgang auf eine Konstantspannung von 3,6 V eingestellt wurde. Kanal 1 steht auf einen Ausgangswert von 5 V = Nennwert für den Spannungseingangt. Kanal 2 wurde konfiguriert, um einen Laststrom von 0 bis 1 A aufzunehmen und die jeweils resultierende Ausgangsspannung zu messen. Die Messungen werden per Software gesteuert. Der Lastregelprozentsatz kann einfach aus den I-U-Daten berechnet werden.

Die Längsregelung bezieht sich auf die Fähigkeit eines DC/DC-Wandlers, die angegebene Ausgangsspannung bei Änderungen der Eingangsspannung zu halten. Die Ausgangsspannung sollte innerhalb einiger Millivolt konstant bleiben, wenn die Eingangsspannung über einen spezifizierten Spannungsbereich verändert wird. Für den Längsregeltest werden beide SMU-Kanäle mit dem DC/DC-Wandler verbunden wie beim Lastregeltest. Bei diesem Test wird allerdings die Eingangsspannung über den spezifizierten Eingangsspannungsbereich verändert und die Ausgangsspannung gemessen. Der Laststrom wird auf 0 A gesetzt. Bei einem typischen Längsregeltest wird ein Kanal des SMU-Instruments (Kanal 1) so konfiguriert, dass die Spannung am Eingang des Testobjekts verändert werden kann, während der andere Kanal (Kanal 2) die Ausgangsspannung misst. Der Längsregel-Prozentsatz kann dann aus den I-U-Daten berechnet werden.

Einen Field Effect Transistor spezifizieren

Mit der Charakterisierung der Strom-Spannungs-Parameter eines FETs = Field Effect Transistor wird sichergestellt, dass das Bauteil der Spezifikation entspricht und es korrekt arbeitet. Zu diesen I-U-Tests gehören Gate-Leckstrom, Durchbruchspannung, Schwellenspannung, Übertragungscharakteristik, Drain-Strom oder Einschalt-Widerstand. Bei FET-Tests müssen mehrere Instrumente programmiert und synchronisiert werden. Ein schlüsselfertiges Halbleiter-Charakterisierungssystem löst zwar das Integrationsproblem, allerdings kosten solche Systeme einige Zehntausend Dollar. Ein dritter Ansatz verwendet eine SMU. Die Anzahl der für den Test benötigten SMUs hängt von der Anzahl der FET-Pins ab, an denen Spannungen oder Ströme eingespeist und/oder Messungen vorgenommen werden müssen.

Bei einem FET wird die Stromleitfähigkeit durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert. Es hat drei Hauptanschlüsse: Gate, Drain und Source. Mit einer am Gate angelegten Spannung (VG) lässt sich der vom Source- (IS) zum Drain-Pin (ID) fließende Strom steuern. Es gibt verschiedene Arten von FETs: MOSFET (Metalloxidhalbleiter-FET), MESFET (Metallhalbleiter-FET), JFET (Junction-FET), OFET (Organic FET), GNRFET (Graphene Nano-Ribbon FET) und CNTFET (Carbon Nanotube FET). Sie unterscheiden sich hauptsächlich durch das Design der Kanäle.

Die I-U-Charakteristik eines FETs lässt sich nutzen, um Parameter der Bauteile zu extrahieren, um die Effekte der Herstellungsverfahren und Prozess-Schwankungen zu studieren und die Qualität der Kontakte zu bestimmen. Bei einer DC-I-U-Testkonfiguration für einen MOSFET mit einem Zwei-Kanal-SMU (Kanal 1 und 2) wird der Force-HI-Anschluss von Kanal 1 mit dem Gate-Pin des MOSFET und der Force-HI-Anschluss des Kanals 2 wird mit dem Drain-Pin verbunden. Der Source-Pin des MOSFET wird mit dem Force-LO-Anschluss beider SMU-Kanäle oder mit einem dritten SMU-Kanal verbunden, wenn Quelle- und Messfunktionen an allen drei Pins des MOSFET benötigt werden.

Sobald das Bauteil vorbereitet und mit dem SMU verbunden ist, muss die Steuersoftware für die automatische Messung konfiguriert werden. Nachdem das Instrument angeschlossen wurde und die IP-Adresse der SMU in den Web-Browsers eingegeben wurde, öffnet sich die Webseite des Instruments. Hier kann die Software gestartet und der gewünschte Test oder die Tests konfiguriert werden. Sämtliche Tests lassen sich speichern und später wieder abrufen. Ein gängiger I-U-Test bei MOSFETs ist die Drain-Kurvenschar (VDS-ID). Bei diesem Test erhöht der Kanal 1 die Gate-Spannung (VG) schrittweise, während der Kanal 2 die Drain-Spannung (VD) verändert und gleichzeitig den resultierenden Drain-Strom (ID) misst. Sobald die beiden SMU-Kanäle für den Test entsprechend konfiguriert wurden, können die Daten erzeugt und auf dem Display in Echtzeit dargestellt werden. Nach dem Export der I-U-Daten in eine .csv-Datei können diese in eine Tabellenkalkulation importiert und dort weiter analysiert oder im Tabellenformat dargestellt werden.

Der Drain-Strom als Funktion der Gate-Spannung

Ein weiterer gängiger I-V-FET-Test mit der gleichen Konfiguration ist der Drain-Strom (ID) als Funktion der Gate-Spannung (VG). Für diesen Test wird die Gate-Spannung verändert und der resultierende Drain-Strom bei einer konstanten Drain-Spannung gemessen. Das Bild 4 zeigt die Ergebnisse einer ID-VG-Kurve bei einer konstanten Drain-Spannung. In diesem Fall wurden die erzeugten Daten in eine Datei exportiert und in einem halblogarithmischen Diagramm dargestellt. Dieser Test lasst sich umkonfigurieren, wobei die Drain-Spannung schrittweise erhöht und jeweils die Gate-Spannung verändert wird. Die ID-VG-Daten zeigen viele Dekaden des Drain-Stroms, den die SMU von 1E-12 bis 1E-2 Ampere gemessen hat.

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* Lee Morgan ist Market Development Manager bei Tektronix in Großbritannien.

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