Nguồn đa kênh ATE: cấp nguồn đồng thời, trình tự bật và bảo vệ

Một board mạch hiện đại hiếm khi chỉ cần một điện áp. Vi điều khiển có lõi 0,9 V, khối I/O 1,8 V, cảm biến analog 3,3 V, tầng công suất 12 V — bốn miền nguồn với bốn yêu cầu dòng khác nhau, và quan trọng hơn: chúng phải lên đúng thứ tự. Khi chuyển từ bàn đo thủ công sang hệ kiểm thử tự động, bài toán nguồn đa kênh ATE không còn là “đủ công suất hay không” mà là bài toán trình tự, bảo vệ, độ lặp lại và thời gian chu kỳ test. Bài viết đi vào bốn khía cạnh đó.

Vì sao trình tự bật nguồn là yêu cầu bắt buộc, không phải tùy chọn

Trong một IC CMOS, các chân I/O luôn có điốt bảo vệ ESD nối lên đường nguồn của khối I/O. Nếu đường nguồn lõi lên trước trong khi đường I/O còn ở mức không, hoặc nếu một tín hiệu từ mạch ngoài xuất hiện ở chân I/O trước khi khối đó có nguồn, dòng sẽ chạy qua các điốt bảo vệ theo đường không mong muốn. Hậu quả trải từ nhẹ tới nặng: dòng khởi động bất thường, chốt trạng thái sai, hiện tượng latch-up làm hỏng vĩnh viễn linh kiện.

Vì vậy nhà sản xuất chip quy định rõ thứ tự lên nguồn và tắt nguồn, kèm cửa sổ thời gian giữa các bước. Trên bàn đo thủ công, kỹ sư bật lần lượt từng núm và mọi thứ vẫn chạy. Trong hệ ATE chạy hàng nghìn board mỗi ngày, trình tự bật nguồn phải được lập trình, lặp lại chính xác tới mili giây và đảo ngược đúng khi tắt — lý do đầu tiên khiến người ta chọn nguồn mô-đun thay vì ghép nhiều bộ rời.

Trình tự tắt quan trọng ngang trình tự bật nhưng thường bị bỏ sót: nhiều hệ ATE lập trình cẩn thận phần bật rồi cắt nguồn đồng loạt khi kết thúc, đúng lúc tụ lọc còn tích điện và các miền nguồn xả với hằng số thời gian rất khác nhau.

Kiến trúc nguồn đa kênh ATE: mô-đun thay vì nhiều bộ rời

Hệ nguồn mô-đun N6700 của Keysight là kiến trúc điển hình cho ứng dụng này: một khung máy cao 1U chứa tới bốn mô-đun nguồn, cho phép phối ghép từ hơn 30 loại mô-đun DC khác nhau để tạo ra hệ 1 đến 4 kênh đúng theo nhu cầu. Khung máy có các mức công suất 400 W, 600 W và 1200 W tùy dải mô-đun cần lắp; khung 1200 W là Keysight N6702C. Giao tiếp GPIB, USB 2.0 và LAN 10/100 Base-T là tiêu chuẩn.

Ba đặc tính khiến kiến trúc này phù hợp với ATE:

• Bảo vệ đầy đủ ở mức khung máy: quá áp (OVP), quá dòng (OCP) và khóa khi sụt áp (UVLO). Với ATE, bảo vệ OVP OCP không chỉ để cứu thiết bị đo — nó là cơ chế dừng nhanh khi gặp board lỗi, tránh biến một board chập thành một sự cố cháy đồ gá.
• Thời gian xử lý lệnh dưới 1 ms, giúp rút ngắn thời gian test. Trong một chu kỳ có hàng trăm lần thiết lập nguồn, con số này nhân lên thành khác biệt lớn về sản lượng.
• Đo tích hợp, trình tự bật ngõ ra, và tùy chọn chế độ LIST kèm bộ số hóa tích hợp và rơ-le ngắt kết nối. Rơ-le ngắt cho phép cách ly hoàn toàn ngõ ra khỏi board — điều mà việc chỉ đặt điện áp về không không làm được.

Về lựa chọn mô-đun, hai thái cực thường gặp:

• Keysight N6754A — mô-đun nguồn DC autoranging hiệu năng cao 60 V, 20 A, 300 W, chiếm một khe. Tốc độ lập trình nhanh hơn 10 đến 50 lần so với các bộ nguồn lập trình thông thường, phù hợp cho kênh cần thay đổi mức liên tục trong chu kỳ test.
• Keysight N6746B — mô-đun 100 V, 1 A, 100 W với tính năng cơ bản, cũng chiếm một khe. Đây là lựa chọn kinh tế cho các kênh chỉ cần cấp một mức cố định, chẳng hạn nguồn phân cực hoặc nguồn cho mạch phụ trợ.

Nguyên tắc thiết kế: không phải kênh nào cũng cần mô-đun hiệu năng cao — trộn đúng tỉ lệ giữa mô-đun nhanh và mô-đun cơ bản là cách kiểm soát chi phí.

Autoranging: vì sao nó thay đổi cách tính cấu hình

Bộ nguồn thông thường có vùng làm việc hình chữ nhật: điện áp tối đa nhân dòng tối đa là công suất danh định. Bộ autoranging mở rộng vùng đó theo đường công suất không đổi — cung cấp dòng cao nhất có thể ở mọi mức điện áp trong giới hạn công suất, nhờ vậy một bộ phủ được vùng hoạt động mà trước đây phải dùng hai bộ nguồn.

Keysight E36234A là ví dụ rõ: 400 W tổng, hai ngõ ra độc lập và cách ly hoàn toàn, mỗi ngõ 60 V và 10 A trong giới hạn 200 W, ghép tự động thành một kênh 400 W — auto-series cho điện áp tới 120 V hoặc auto-parallel để tăng dòng. Bộ này hỗ trợ chế độ LIST và cảm biến từ xa 4 dây.

Khi cần nhiều miền nguồn điện áp thấp cùng lúc — đúng kịch bản board vi điều khiển nêu ở đầu bài — Keysight E36312A cung cấp ba ngõ ra trong một thân máy: 6 V/5 A, 25 V/1 A và 25 V/1 A, tổng 80 W, có cảm biến từ xa 4 dây cùng chức năng ghép và định trình tự ngõ ra.

Cảm biến từ xa: sai số ai cũng biết nhưng vẫn mắc

Dòng 10 A qua cặp dây có điện trở tổng 20 mΩ tạo sụt áp 200 mV. Đặt nguồn 1,80 V thì board thực nhận 1,60 V — vượt xa dung sai ±5 % của hầu hết miền nguồn số. Trong hệ ATE, nơi dây dẫn đi qua đồ gá, đầu nối và bộ chuyển mạch, tổng điện trở đường dẫn còn lớn hơn nhiều.

Cảm biến từ xa 4 dây giải quyết triệt để: hai dây tải mang dòng, hai dây cảm biến đo điện áp ngay tại điểm cần điều chỉnh, và mạch hồi tiếp bù đúng phần sụt áp. Ba lưu ý khi triển khai:

1. Đặt điểm cảm biến tại đúng vị trí cần đảm bảo điện áp — thường là chân cấp nguồn của IC, không phải đầu nối board.
2. Xoắn đôi cặp dây cảm biến, tách khỏi dây tải để tránh ghép nhiễu vào vòng hồi tiếp.
3. Kiểm tra giới hạn bù sụt áp của bộ nguồn; vượt quá, sai số quay lại một cách âm thầm.

Đo ngay tại nguồn: bớt một thiết bị, bớt một nguồn sai số

Trong ATE, mỗi thiết bị thêm vào là thêm một đường dây, một lần hiệu chuẩn và một khả năng sai lệch. Hợp lý hơn là để chính bộ nguồn đảm nhận phép đo. Keysight N6705C là máy phân tích nguồn DC dạng khung bốn khe, nhận tới bốn mô-đun với tổng công suất 600 W, tích hợp sẵn:

• Chức năng hiện sóng: số hóa điện áp và dòng tới 200 kHz, 512 kpts, độ phân giải tới 18 bit — đủ để nhìn thấy dạng sóng dòng khởi động và đáp ứng quá độ.
• Ghi dữ liệu dài hạn: khoảng lấy mẫu từ 20 µs tới 60 giây, tối đa 50.000 kết quả mỗi giây.
• Vôn kế và ampe kế độ chính xác cao: tới 0,025 % + 50 µV cho điện áp và 0,025 % + 8 nA cho dòng, đều ở độ phân giải tới 18 bit.
• Phát dạng sóng tùy ý tới 100 kHz ở mức 500 W, dùng để mô phỏng biến động nguồn cấp thay vì chỉ cấp một mức phẳng.

Độ phân giải 18 bit và ngưỡng đo dòng tới hàng nano-ampe khiến cùng một thiết bị vừa cấp nguồn vận hành vừa đo được dòng chờ của thiết bị ở chế độ ngủ — bài toán mà trước đây phải chuyển sang một thiết bị chuyên biệt khác.

Danh mục kiểm tra khi thiết kế kênh nguồn cho ATE

1. Liệt kê đủ các miền nguồn, kèm dòng đỉnh thực tế chứ không chỉ dòng trung bình.
2. Lấy yêu cầu trình tự bật và tắt từ tài liệu của nhà sản xuất chip; lập trình cả hai chiều.
3. Đặt ngưỡng OVP và OCP theo giới hạn chịu đựng của board, không theo giới hạn của bộ nguồn.
4. Dùng cảm biến từ xa cho mọi kênh có dòng lớn hoặc dung sai chặt.
5. Xác định kênh nào cần tốc độ lập trình cao, kênh nào chỉ cần mức cố định — rồi chọn mô-đun tương ứng.
6. Tận dụng phép đo tích hợp trong bộ nguồn, và bố trí rơ-le ngắt cho kênh cần cách ly thật sự khỏi board.

Toàn bộ trình tự này chỉ phát huy giá trị khi được điều khiển bằng phần mềm có cấu trúc; chúng tôi đã bàn về lớp tự động hoá phía trên trong bài Tự động hoá đo kiểm với PathWave Test Automation.

Kết luận

Nguồn trong hệ ATE không đơn thuần là thứ cấp điện. Nó là thiết bị định trình tự, là lớp bảo vệ đầu tiên khi gặp board lỗi, và ngày càng là thiết bị đo chính. Chọn nguồn mô-đun cho ATE nghĩa là chọn theo bốn tiêu chí cùng lúc: khả năng định trình tự, ngưỡng bảo vệ lập trình được, cảm biến từ xa và năng lực đo tích hợp — một hệ như vậy ổn định hơn và cho thời gian chu kỳ ngắn hơn hẳn việc ghép nhiều bộ nguồn rời.

Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình hệ nguồn cho ATE hoặc hiệu chuẩn bộ nguồn đang sử dụng, xin liên hệ hotline 0908 173 345.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.