采用多功能混合信號管腳實現(xiàn)汽車IC的高效益低成本測試

與過去機械系統(tǒng)的改進決定汽車工業(yè)的革新不同的是，下一代汽車90％的創(chuàng)新都來自更復(fù)雜的集成電路。半導(dǎo)體器件在滿足客戶對汽車功能方面的需求上扮演著非常重要的角色。

根據(jù)Frost&Sullivan的數(shù)據(jù)，西歐的汽車半導(dǎo)體市場將在未來的幾年內(nèi)將近翻一番。原本用于高端汽車的電子器件向低端汽車的轉(zhuǎn)移是這種快速增長的原因之一。

現(xiàn)代高級汽車的電子系統(tǒng)是高度分散的實時系統(tǒng)，它由多于300個電機或電磁閥組成的控制單元連接到多達五個總線系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有100MB的嵌入式代碼，提供了動力系統(tǒng)、安全、舒適、信息和通訊方面的功能。

動力傳輸調(diào)節(jié)燃料的消耗和排放。汽車生產(chǎn)商宣稱他們的目標之一就是生產(chǎn)三升汽車并且符合歐3標準和京都協(xié)議。沒有電子器件和軟件的支持，想要達到嚴格的控制規(guī)章是不可能的。

因此這些技術(shù)手段正在逐漸應(yīng)用于混合發(fā)電機或使用燃料電池的車輛。另一個趨勢是柴油驅(qū)動的汽車逐漸取代汽油驅(qū)動的汽車。

汽車的安全性和舒適性已經(jīng)越來越重要。市場對乘坐汽車的安全性的需求越來越高。汽車生產(chǎn)商們已經(jīng)對此采取了措施。同時各種技術(shù)，如防閉鎖剎車系統(tǒng)或氣囊已經(jīng)成為眾多中小型車的標準配置。

各種技術(shù)如電子穩(wěn)定程序或牽引控制系統(tǒng)已經(jīng)進入高端汽車市場，其進入低端汽車也只是時間的問題。

通過實施各種新型應(yīng)用增強汽車的舒適度，如無鑰匙進入、座椅控制、車內(nèi)環(huán)境控制或?qū)Ш娇刂?，汽車制造商竭力提供與競爭對手不同的產(chǎn)品以獲得競爭優(yōu)勢。

可以預(yù)見市場的進一步需求來自汽車中的通訊和信息網(wǎng)絡(luò)。人們期望其擁有的汽車能夠接收廣播、視頻、移動通訊、導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)字音頻/視頻廣播。

遠程交通控制和服務(wù)也可在不久的將來實現(xiàn)。

近幾年42V電網(wǎng)已經(jīng)成為討論焦點。盡管每個汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商都已經(jīng)可以提供42V兼容的產(chǎn)品，但對作為產(chǎn)品引入及批量生產(chǎn)的時間仍存有爭議?？梢郧宄A(yù)見的是42V電源網(wǎng)絡(luò)一定會到來。根據(jù)Frost&Sullivan提供的數(shù)據(jù)，到2015年半數(shù)的新產(chǎn)汽車將采用42 V電源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖1， 在未來，多于90％的汽車創(chuàng)新主要由電子器件和軟件來推動。

測試挑戰(zhàn)

ATE制造商的主要考慮是VBAT上的最大電壓必須保持低于某一限定值 (通常為68 V)。在這一電壓限制之內(nèi)，汽車不需要進一步的保護措施防止大電壓對人造成危險。汽車是“低壓”的，這同樣適用于42V電源網(wǎng)絡(luò)，其電壓不得超過68 V。

另一種情況是“負向電池”。這種情況對于42V汽車來說很難處理，因為電壓變?yōu)?倍，電壓不能降至低于-2V，所以即使采用42V電源網(wǎng)絡(luò)的汽車仍處于低壓調(diào)制狀態(tài)。顯然42 V電源網(wǎng)絡(luò)不能驅(qū)動較大的負電壓，但增加了對能夠提供42 V/80 V電壓的VI通道的需求。

另外汽車總線系統(tǒng)需要高壓數(shù)字管腳用于功能測試，電壓需求高達20 V。測試設(shè)備制造商不得不考慮到這一點。

汽車市場在價格和質(zhì)量方面的競爭越來越激烈。這意味著半導(dǎo)體制造商不得不尋找高性能、高效益低成本的測試解決方案以降低生產(chǎn)成本，保證利潤空間維持在一定水平。

汽車類器件的發(fā)展趨勢是在單一芯片、封裝或模塊中集成各種技術(shù)，也就是所謂的“片上系統(tǒng)”。傳感器變得越來越重要。它們用于安全系統(tǒng)，如氣囊、駕駛控制或汽車動力系統(tǒng)。

過去10年市場的高速增長為實現(xiàn)質(zhì)量、產(chǎn)品面市時間和成本目標設(shè)置了嚴峻的挑戰(zhàn)。因此汽車電子的設(shè)計過程是未來汽車項目成功的關(guān)鍵因素。汽車電子的生命周期對于半導(dǎo)體制造商來說非常重要。研發(fā)過程（包括通常的重設(shè)計）需要花費12-36個月。汽車款型每6到8年改變一次，但其使用的電子器件更新?lián)Q代周期僅2到4 年。產(chǎn)品使用時間最少為10年。因此隨著新技術(shù)的采用，電子器件可能會改變得更快，同時能夠為汽車制造商創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。

汽車用器件的設(shè)計和測試面臨的嚴峻挑戰(zhàn)是成品率和失效率方面的要求。移動電話的失效率允許達0.5%，而汽車器件的失效率必須小于0.005%。新器件的測試需求甚至超過下列要求：ASIC失效率要低于0.0003%，標準器件的失效率必須小于0.0001%，分立器件的失效率不能超過0.00005%。

為了管理不斷增加的設(shè)計復(fù)雜度并保持設(shè)計工作的經(jīng)濟性，復(fù)雜的設(shè)計和測試工具必須支持并行和分布式的規(guī)范、設(shè)計、實現(xiàn)、集成以及測試工作和測試解決方案。

圖2，半導(dǎo)體器件分別工作在14 V 和 42 V電壓。

測試解決方案

器件的復(fù)雜性需要高性能、高靈活度的ATE系統(tǒng)，但同時必須提高生產(chǎn)率以保持利潤空間并獲利。實現(xiàn)這一目標必須采用芯片并行測試，這樣才能提高產(chǎn)能并降低測試成本。創(chuàng)造新應(yīng)用的時間必須盡可能短，以配合新測試程序的生成和維護工作。

對于汽車器件混合信號測試系統(tǒng)，最大的挑戰(zhàn)是在一個全面且成本效益高的解決方案中提供數(shù)字、模擬、DSP和電源測試的能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須是可擴展的，以覆蓋汽車電子產(chǎn)品廣泛的測試需求。靈活性和速度可以通過真正的每管腳測試儀的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。高速系統(tǒng)總線必須提供最大的產(chǎn)能和最低的測試成本。高性能儀器必須能夠與數(shù)字圖型完全同步。混合信號管腳電子性能必須能夠支持高達50 MHz的高數(shù)據(jù)傳輸率，提供-2 V ～ +28 V的電壓擺幅。

科利登復(fù)雜的電源混合信號測試系統(tǒng)Falcon和 Piranha能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

圖 3， 3種不同的管腳類型覆蓋廣泛的測試需求：

- DPIN：數(shù)字混合信號管腳，用于高速數(shù)字需求 ；

- VPIN：具有高壓測試能力的數(shù)字混合信號管腳，其30 V的電壓擺 幅和50 MHz的數(shù)據(jù)速率很好的滿足了汽車器件的測試需求 ；

-APIN：模擬混合信號管腳，用于高壓高精度，提供 +-100 V/40 mA的每管腳參數(shù)測量單元（PMU）用于汽車工業(yè)的電源 混合信號測試。

圖 4，多功能混合信號管腳結(jié)構(gòu)圖。

多功能混合信號管腳電子性能

多功能混合信號管腳VPIN包括幾個功能模塊，如向量存儲器、ATE管腳控制器、驅(qū)動器、比較器、負載和每個通道獨立的PMU。

控制器由序列產(chǎn)生器、時序發(fā)生器、格式化器件和比較邏輯組成。數(shù)字矩陣提供接入數(shù)字儀器的接口，如定時器、計數(shù)器、時間測量單元和用于同步及觸發(fā)的觸發(fā)器。

通過模擬矩陣，每個管腳通道都能夠使用模擬儀器，如VI 源、系統(tǒng)電壓表和DSP儀器，通過編寫軟件可以簡化負載板的設(shè)計和額外的測試測量電路的集成。板上控制器允許進行并行測量。驅(qū)動/反饋技術(shù)保證精確的模擬激勵并允許在拆分模式下使用VPIN，這樣可以使測試管腳通道加倍。拆分模式允許驅(qū)動和探測路徑同向。

新的數(shù)字管腳VPIN 被設(shè)計用于滿足汽車器件的特殊測試需求，電壓最高需達25V (通常值為14V) 才能進行受力測試。VPIN是高壓混合信號管腳，具有較好的數(shù)字測試性能。它提供30V 電壓擺幅和最高50MHz 的數(shù)據(jù)率用于測試高壓高速混合信號器件。

真正的每管腳測試儀結(jié)構(gòu)提供高靈活性和完整的并行測試能力。每個管腳獨立的序列產(chǎn)生允許以不同的數(shù)據(jù)頻率發(fā)生同步或異步數(shù)字圖型。

向量存儲器存儲測試向量、序列指令、格式和時序信息。存儲器中包含激勵/預(yù)期數(shù)據(jù)，用于驗證器件的輸出數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收存儲器支持實時記錄，ADC測試需要這種能力。可以在向量運行時讀取存儲器中的數(shù)據(jù)。每個管腳獨立的PMU允許并行的直流參數(shù)測試。通過軟件控制線路切換，每個通道都可以連接到模擬和數(shù)字儀器。板上控制器存儲不同的測試設(shè)置，可以并行的調(diào)用從而可以快速的執(zhí)行測試。進行高精度模擬測量時可以關(guān)閉控制器以降低噪聲。驅(qū)動/反饋結(jié)構(gòu)保證了先進的模擬精度。

科利登Falcon系統(tǒng)的VPIN管腳最多可達128 個。

圖 5，多功能混合信號管腳。

重要的儀器

VI 源可以選擇高性能VI源，覆蓋廣泛的汽車應(yīng)用的測試需求。VI源的操作可以從低電流到高功耗。所有的源都是浮地的，可以進行四象限操作。板上測量支持并行測試，可以通過測試向量對VI進行控制和觸發(fā)。通過報警和保護功能可以獲得最高的可靠性。很多其它特性，如VI源的疊加和并行使用，保證了用戶可以獲得最高性能和靈活性。

圖6， V/I源—— 從nA到 kW的靈活性。

DSP發(fā)生器和數(shù)字化儀 科利登的Falcon和Piranha系統(tǒng)提供幾個DSP儀器選件，分辨率可達20位，采樣頻率可達200 MHz。DSP發(fā)生器和數(shù)字化儀可以滿足廣泛的汽車器件模擬波形的測試需求。每個DSP儀器都有專用的DSP引擎，可以提供真正的并行測試能力。每通道獨立的數(shù)字化儀DSP引擎提供時域或頻域最快速的測量。所有的數(shù)字化儀和DSP發(fā)生器能夠與提供的相關(guān)采樣同步。

系統(tǒng)總線嵌入式的同步總線保證了系統(tǒng)所有儀器間的同步。數(shù)字、模擬、DSP和電源儀器的同步可以順利的進行。使用觸發(fā)線觸發(fā)同步信號的發(fā)生并測量能夠較容易地進行關(guān)鍵時間參數(shù)的測量。這些獨特的同步能力保證了系統(tǒng)的最大靈活性和產(chǎn)能。

總的來說， Falcon和Piranha 是一種靈活的解決方案，用于應(yīng)對汽車器件混合信號測試的挑戰(zhàn)。根據(jù)需要，科利登測試系統(tǒng)能夠滿足汽車工業(yè)用器件在數(shù)字、模擬、DSP和電源測試方面的需要。通過高速儀器和并行測試技術(shù)，科利登的系統(tǒng)可以提供最高的產(chǎn)能和最低的測試成本。每管腳測試儀的結(jié)構(gòu)和互連保證了高度的靈活性。先進的軟件工具包提供集成的工具，可以獲得最短的開發(fā)到生產(chǎn)時間。

圖 7，DSP發(fā)生器和數(shù)字化儀——從高精度到高速的靈活性