ADP2381稳压芯片的过压保护ATE测试研究

俞加伟，齐金鹏，姚 黄

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201600）

随着经济的发展，科技的腾飞，集成电路的集成度跟随着不断提高，芯片的尺寸逐渐缩小，单位面积的功耗以及引脚数量逐渐增加。因此，伴随着测试的难度和成本必然越来越高。目前在半导体厂家中，大规模数字集成电路测试已完全依赖于自动测试设备 （Automatic Test Equipment，简称ATE）。对于IC测试工程师而言，其主要的任务是根据被测器件（Device Under Test，简称 DUT）的产品规范（Specification or Datasheet）要求，利用ATE的软、硬件资源对DUT施加激励信号、收集响应信号，最后将两者对比，得到DUT功能和电参数的详细电性能测试报告[1]。

文中以 ADI（Analog Devices,Inc）公司的电源管理芯片ADP2381稳压芯片的过电压保护功能为例，简要介绍集成电路的ATE的测试设计。

1 硬件部分

大规模数字集成电路测试开发主要分为：硬件电路的开发和测试软件的开发。

图1 测试系统的基本测试框图Fig.1 The basic block diagram of the test system to test

硬件部分主要是根据DUT的封装形式、最高时钟频率、ATE的资源配置和接口板卡形式等方面的因素合理的选择测试插座（Socket）和设计制作测试负载板（Loadboard）。测试负载板的作用是为DUT和ATE通道资源之间提供可靠、高效的硬件连接。对于大规模、高频数字器件，测试负载板的设计制作尤为重要，需要经验丰富的PCB工程师完成，否则会对测试结果造成意想不到的影响[2]。

2 软件部分

2.1 连接性测试

连接性测试的作用主要有两方面：一方面是验证硬件部分的测试负载板质量，看其是否能稳定、可靠地连接DUT和ATE通道；另一方面是检测仪器的内部引线是否有开路或短路的缺陷。一般来说器件的每个引脚都有泄漏、保护电路，是两个首尾相接的二极管，一端接VDD，另一端接VSS。连接性测试的原理是将DUT的所有引脚接地，调用ATE中的PMU（Precision Measurement Unit）单元对DUT的所有引脚逐个进行加流测压，通常情况下施加的电流范围在100~500μA之间，如果测得的电压在0.2~1.5 V之间则连接性正常，若小于0.2 V则说明引脚存在短路情况，若大于1.5 V则说明引脚存在开路情况。

2.2 功能测试

功能测试的目的是验证器件是否能够实现设计制造的各种工作模式。功能测试的第一步需要得到的测试图形和对应的时序文件，每一种工作模式对应一个测试图形文件和时序文件。一般情况下，功能测试时器件的输出端带小电流负载，输入电平、时钟频率和信号间时序关系都会选择范围较宽的数值，这样做的目的是初步验证器件的基本功能。电源电压会选择三种模式：标准电压、最低供电电压、最高供电电压。也就是说同样的测试图形和时序会在不同电源电压下运行三次[3]。

2.3 参数测试

参数测试又分为两大类：直流参数测试和交流参数测试。直流参数测试中主要包括以下几组参数：

1）输出高电平电压VOH和输出低电平电压VOL；

2）输入高电平信号时漏电流IIH和输入低电平信号时IIL；

3）高阻态漏电流IOZH和IOZL；

4）静态电源电流；

5）动态电源电流。

直流参数测试的核心原理就是欧姆定律。测电压就是调用ATE中的PMU模块对DUT相应引脚加流测压，测电流就是调用PMU模块或DPS（DevicePower Supply）模块对DUT相应引脚加压测流。大部分直流参数可以在功能测试中动态的采样得到，这时需要注意的是电源电压、输入电平、输出负载电流应该选择最严酷的状态组合进行测试。

交流参数测试中主要包括以下几组参数：

1）传输延迟测试；

2）建立、保持时间测试；

3）最高时钟频率。

交流参数测试的目的是保证器件在正确的时间发生状态转换。交流参数测试的核心方法是：采用Linear或Binary的搜索方式在器件输出波形中找到对应的状态转换点，记录ATE中TMU模块测量到的该点时间值。多数交流参数直接测量值需要经过二次计算才能得到与产品规范上对应的值[3]。

3 测试流程

测试流程主要由以下几部分组成:搭建硬件电路、编写测试程序、生成并施加测试向量、自动接收并判断测试响应、自动分析并记录测试结果等。

通用ATE不提供专门的稳压芯片配置功能，需要设计并制作针对不同型号电源芯片测试的硬件电路板，电路板上包括测试所需的外围电路以及对应的配置芯片。为了保证高速信号的传输，差分信号要按照等长差分线布线，差分信号的两条差分线应该尽量靠近，为了避免干扰要远离其他走线，高速的信号也要进行等长布线的处理，以保证并行信号不会发生时间偏移。硬件电路安装在ATE的PB（Performance Board）上，主要实现信号的传输，DUT与PB接触的每个管脚都有唯一的号码标识，以保证每个管脚都有与ATE相连的测试通道，可与ATE进行I/O的信号传输。

测试步骤大致分为以下几步：

1）将PC和ATE通过GPIO串口链接；

2）将DUT安装到ATE的PB上；

3）将生成的测试图形文件和测试程序导入ATE中，以确保调试成功；

4）执行连接性测试；

5）执行各功能测试项目。

ATE按照程序中设定好的函数顺序，依次执行测试，测试过程中，所有的测试项目不出现“Alarm”和“Fail”时测试通过。

4 ADP2381的过压保护测试设计

4.1 ADP2381介绍

ADP2381是一款电流模式控制，同步，降压型DC-DC稳压器。它集成了44毫欧的功率MOSFET和一个低边驱动器以提供高效率的解决方案。ADP2381在4.5~20 V的输入电压下运行，并且可以提供6 A的输出电流。输出电压可以从0.6 V调至输入电压的90%。ADP2381的开关频率可以在250 kHz~1.4 MHz之间编程选择，或固定在290 kHz、550 kHz。其同步功能可以使开关频率被同步至外部时钟，以尽量减少系统中的噪声。

外部补偿和可调软启动提供使得设计更加灵活。电源良好输出提供了简单，可靠的电源排序。其他功能还包括可编程欠压锁定（UVLO），过电压保护（OVP），过电流保护（OCP）和热关断（TSD）。 ADP2381在-40°C至+125°C的结温范围内工作，采用16引脚TSSOP_EP封装。可应用于网络和服务器、通信基础设施、医疗保健和医疗、中间电源轨转换、工业和仪器仪表、直流到直流负载点应用。

图2 ADP2381引脚排列图Fig.2 Pin Configurations of ADP2381

ADP2381的设计要求有：

输入电压：4.5 V到20 V；集成 44 mΩ高侧 MOSFET；0.6 V±1%的过温基准电压；连续输出电流6A；可编程开关频率：250 kHz至1.4 MHz；同步到外部时钟：250 kHz至1.4 MHz；180°异相同步；可编程 UVLO（欠压锁定）；电源良好输出；外部补偿；具有外部可调节的选项的内部软启动；启动进入预充电输出；支持ADIsimPower设计工具。

4.2 过电压保护（Over Voltage Protection）

ADP2381电源管理芯片测试包括众多功能模块，包括频率测试、最小开关时间测试、欠压锁定测试、静态电流测试、关断电流测试、限流阈值测试等。文中只介绍ADP2381的OVP（过压保护）功能的测试方案。ADP2381提供过压保护功能以保护系统免受输出短路到较高电压或发生强烈的负载瞬变。当反馈电压增大到0.7 V时，内部高侧MOSFET和低侧驱动器被关断，直到FB引脚电压减小到0.63 V。此时，ADP2381恢复正常运行。

4.3 测试回路设计

1）如图3所示连接电路；2）设置 PVIN=12 V；

3）设置测试模式寄存器；

4）将Vfb的电压从0.6 V逐步升到0.8 V，观察SYNC引脚的波形，当它变成高电平，记录FB引脚的电压；

5）将Vfb的电压从0.8 V逐步降到0.6 V，观察SYNC引脚的波形，当它变成低电平，记录FB引脚的电压；

6）触发点：上升 0.66 V，下降 0.63 V。注：扫描速度应低于0.1 V/ms[5]。

图3 OVP测试回路Fig.3 Test loop of OVP

定制的测试板预先设计了测试过程中需要用到各个功能模块的测试回路，各个回路中设置了开关，通过ATE控制开关的通断实现电路的连接，以下为过压保护连接回路的代码：

thehdw.Utility.Pins（"K1，K9，K5").State=tlUtilBitOn

thehdw.Wait 5*ms

thehdw.Pins（"EN_HSD").StartState=chStartLo

thehdw.Pins（"EN_HSD").InitState=chInitLo

thehdw.Digital.ConnectPins（"EN_HSD")

Call DCVI_FVMI（"PVIN_DC30"， 5， 0.1， 10)

thehdw.Wait 5*ms

thehdw.Digital.Patterns.Pat（UNLOCK_PAT).Run

4.4 主要测试代码

为了测试FB引脚在升降压测试扫描时在几伏的时候跳变，我们选出了150颗芯片作为样品进行测试，以下列出五组测试数据：

在150组数据中，根据数据分析原则，去除明显错误的数据，在合理范围内，升压选择最大跳变值0.72 V，降压选择最小跳变值0.63 V。测得的跳变值用于进行FinalTest时测试代码的编写。

表1 升降压跳变值Tab.1 Boost-buck transition value

测试程序的开发环境是使用微软的VBA。VBA是Visual Basic的一种宏语言，是微软开发出来在其桌面应用程序中执行通用的自动化（OLE)任务的编程语言。主要能用来扩展Windows的应用程式功能，特别是Microsoft Office软件。也可说是一种应用程式视觉化的Basic脚本。也被ATE测试工程师常用作测试工具。以下为FinalTest的过压保护测试代码：

Call DCVI_FVMI（"FB_DC30"， 0.67， 0.02， 10)

thehdw.Wait 3*ms

If test_of_type=1 Then

thehdw.DCVI.Pins（"FB_DC30").voltage=0.72

thehdw.Wait 3*ms

NC_Voltage=thehdw.DCVI.Pins（"SYNC_DC30").Meter.Read（tlStrobe， 5， 12500#)

For Each nsite In TheExec.Sites.Active

If NC_Voltage（nsite)>3 Then OV_Rising（nsite)=1

Else OV_Rising（nsite)=0

End If

Next nsite

End If

测量SYNC引脚的电平，若SYNC引脚为高电平（>3 V）则内部高侧MOSFET和低侧驱动器被关断，过压保护测试通过，反馈 OV_Rising（nsite)置 1；若 SYNC引脚为高电平（<=3 V），则内部高侧MOSFET和低侧驱动器未被关断，过压保护测试未通过，反馈OV_Rising（nsite)置0。

5 结束语

文中针对ADP2381的自身特点，将软件测试技术合理地引用到芯片测试中，并结合ATE的优势，对ADP2381自动化测试方法进行研究，以商用自动测试设备为依托，实现了ADP2381内部逻辑的自动化测试。后续工作中，以文中列举出的过压保护功能测试为思路，再进行芯片的频率测试、最小开关时间测试、欠压锁定测试、静态电流测试、关断电流测试、限流阈值测试等。将ATE用于软件测试，可缩短测试环境的开发周期和测试周期，完成复杂的测试项目，更可以完成芯片批量生产所需要的巨大测试工作量，并且ATE具有较强的通用性，为软件的自动化测试提供了更广阔的前景。

[1]刘涛，张崇巍．SoC芯片测试设备现状[J]．电子工业专用设备，2009，176：1-9．

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[3]Manu Jain.M.Daniele.Praveen K.jain.A Bidirectional DC-DC Converter Topology for Low Power Application[C]．IEEE Transactions on power electronics vol.15 no.4 July 2000．

[4]简贵胄，葛宁，冯重熙．静态时序分析方法的基本原理和应用[J]．计算机工程与应用，2002，38（ 14)：115－116．JIANWei-zhou，GENing，FENG Chong-xi.The basic principle and the application of static timing analysis method[J].ComputerEngineeringand Application，2002，38（14）:115-116.

[5]李行善，左毅，孙杰．自动测试系统集成技术[M]．北京:电子工业出版社，2004．

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