霍爾電路高低溫在線測試設(shè)備研究

沈娟 嚴(yán)雨寧

南京中旭電子科技有限公司，江蘇南京 21000

一、前言

霍爾集成電路是一種磁敏傳感器，作為一種為專門目的設(shè)計的集成電路，是無刷電機(jī)等換相、測速部位的關(guān)鍵器件，對可靠性、性能等有較高要求。

霍爾集成電路測試是保證霍爾集成電路性能、質(zhì)量的關(guān)鍵手段。但現(xiàn)階段，沒有通用的霍爾電路測試儀器和測試設(shè)備，多為自主研發(fā)、組合而成，自動化程度和測試精度相對較低，且多為手動操作，高溫和低溫測試也往往采用高低溫貯存后移至常溫環(huán)境測試，由于器件較小，而貯存環(huán)境和常溫測試環(huán)境的溫差較大，導(dǎo)致參數(shù)會在較短時間內(nèi)發(fā)生較大變化，與實(shí)際在高低溫下工作的參數(shù)存在差異。

近年來，隨著霍爾集成電路的不斷發(fā)展，對測試設(shè)備無論是自動化、測試精度，還是高低溫測量的準(zhǔn)確度都提出了更高要求。因此，本文設(shè)計了一種開關(guān)型霍爾集成電路在線高低溫測試設(shè)備，它可以自動化地完成高低溫環(huán)境下的參數(shù)測試，保證產(chǎn)品可靠。

二、霍爾集成電路測試需求

霍爾集成電路把穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和集電極開路輸出級集成到同一單晶片上，能將變化的磁信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓輸出。霍爾集成電路的功能方框圖如圖1所示。

當(dāng)外界磁場方向?yàn)檎⒆饔迷诨魻栐蠒r，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件的兩個輸出端將輸出一個電壓值稱為霍爾電壓VH，這個電壓經(jīng)差分放大器放大后作為施密特觸發(fā)器的觸發(fā)信號。當(dāng)信號電壓隨外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，達(dá)到施密特觸發(fā)器導(dǎo)通電壓閾值時，霍爾集成電路的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r的外界磁場即為導(dǎo)通磁場。此后，如果外界磁感應(yīng)強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，施密特觸發(fā)器維持導(dǎo)通狀態(tài)不變。當(dāng)外界磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱時，電壓信號隨之減小，到達(dá)施密特觸發(fā)器的截止閾值時，施密特觸發(fā)器由導(dǎo)通狀態(tài)躍變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，此時的外界磁場為截止磁場。因此，磁場的極性每變換一次，電路的輸出就完成一次開關(guān)轉(zhuǎn)換。這種工作原理稱為開關(guān)型霍爾集成電路工作原理。

對于開關(guān)型霍爾集成電路而言，工作電壓、電源電流、輸出低電平電壓、輸出漏電流、導(dǎo)通磁場、截止磁場以及溫度特性是考核產(chǎn)品優(yōu)劣的主要指標(biāo)。所以霍爾集成電路測試設(shè)備需要完成在不同工作溫度下、不同工作電壓下的磁參數(shù)（導(dǎo)通磁場和截止磁場）和電參數(shù)（電源電流、輸出低電平電壓、輸出漏電流）測試。

三、霍爾集成電路測試設(shè)備的設(shè)計

1、霍爾集成電路測試系統(tǒng)設(shè)計

整個霍爾集成電路測試系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖2所示，主要分為兩個部分，分別為測試設(shè)備和測試夾具。測試設(shè)備由電源模塊、磁場生成模塊、參數(shù)測試模塊和數(shù)據(jù)處理顯示模塊組成；測試夾具主要包括線圈和霍爾集成電路兩部分。測試夾具和測試設(shè)備通過串口總線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。霍爾集成電路測試系統(tǒng)針對的被測件為三端開關(guān)型霍爾器件，磁場生成模塊通過控制線圈通電進(jìn)行磁場強(qiáng)度控制；根據(jù)外部測試條件輸入，通過電參數(shù)測試模塊調(diào)節(jié)霍爾電路測試的電源電壓和輸出負(fù)載電壓；將霍爾集成電路信號引入電參數(shù)測試模塊完成功耗電流、漏電流、輸出高低電平的測量采集。這樣高低溫在線測試時，只需要將測試夾具置入高低溫環(huán)境，通過外部串口連接測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)磁場控制和數(shù)據(jù)采集。

2、測試設(shè)備

測試設(shè)備由電源模塊、磁場生成模塊、參數(shù)測試模塊和數(shù)據(jù)處理顯示模塊組成，采用單片機(jī)通過串口總線來完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、計算和控制。其中，磁場生成模塊和參數(shù)測試模塊是兩個至關(guān)重要的模塊。

（1）磁場生成模塊

磁場生成模塊的示意圖如圖3所示，由單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器，生成一個可控的電壓，再通過運(yùn)算放大器放大，驅(qū)動線圈部分，從而產(chǎn)生磁場。傳統(tǒng)的磁場生成模塊一般是由帶硅鋼片的線圈產(chǎn)生，其產(chǎn)生的磁場分布不均勻，測試時帶來的誤差較大。在本測試儀中，線圈部分由兩個平行的線圈組成，通過給線圈通電生成均勻可變的磁場，因此，測試時電路的位置、溫度發(fā)生變化對測試的結(jié)果影響不大，測試精度較高。

因?yàn)榇艌龃笮∨c流過線圈的電流大小成正比，與線圈兩端電壓成正比，所以磁場的大小由單片機(jī)生成的可控電壓進(jìn)行控制。在對電路進(jìn)行測試時，逐步增加磁場，單片機(jī)根據(jù)輸出電壓高低電平的變化記錄磁場的值，這樣就能達(dá)到測試導(dǎo)通磁場和截止磁場的目的。單片機(jī)控制的測試設(shè)備，通過采集數(shù)據(jù)能夠減小由人為因素引起的產(chǎn)品參數(shù)差異，同時能夠提高生產(chǎn)效率，縮短測試周期，減小測試誤差。

（2）參數(shù)測試模塊

參數(shù)測試電路主要給插入測試夾具的霍爾電路提供電源電壓VCC、負(fù)載電壓VDD以及可調(diào)上拉電阻，霍爾電路返回電參數(shù)測試電路的信號包括電源電流（靜態(tài)、動態(tài)電流）、輸出電流（輸出漏電流）和輸出電壓（高、低電平電壓）。檢測電壓信號時，采用電壓跟隨器、運(yùn)算放大器等電路將檢測到的值送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)上傳模塊進(jìn)行存儲和顯示；檢測電流信號時，首先將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號后進(jìn)行放大，然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理、顯示。

（3）數(shù)據(jù)處理顯示模塊

對于開關(guān)型霍爾集成電路而言，工作電壓、電源電流、輸出低電平電壓、輸出漏電流、導(dǎo)通磁場、截止磁場等參數(shù)是考核產(chǎn)品優(yōu)劣的主要指標(biāo)。測試時，首先將工作電壓VCC、負(fù)載電壓VDD和輸出電流PA2調(diào)節(jié)至要求值，點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行測試。此時，首先對單片機(jī)的各個端口進(jìn)行初始化，隨后，單片機(jī)讀取電源電流對應(yīng)的I/O口并將該數(shù)值記錄為電源電流。隨后，單片機(jī)調(diào)節(jié)經(jīng)過線圈的電流值大小，調(diào)節(jié)加載在霍爾集成電路表面的磁場，當(dāng)輸出電壓由低電平至高電平的跳變時，讀取輸出電流值和加在線圈上的電流值，并將該值記錄為輸出漏電流和截止磁場；當(dāng)輸出電壓由高電平至低電平的跳變時，讀取輸出電壓和加在線圈上的電流值，并將該值記錄為輸出低電平電壓和導(dǎo)通磁場。回差值為導(dǎo)通磁場和截止磁場的差值，由單片機(jī)進(jìn)行計算。工作電壓、電源電流、輸出低電平電壓、輸出漏電流、導(dǎo)通磁場、截止磁場等參數(shù)測試完成后，由單片機(jī)的I/O口傳輸至顯示屏模塊進(jìn)行顯示。

（4）電源模塊

通過電源變壓器將外接三相插頭引入的220V電壓轉(zhuǎn)換為恒定低壓，生成運(yùn)算放大器，為磁場生成模塊和數(shù)據(jù)處理顯示模塊等模塊需要的電壓。

3、測試夾具

由于測試夾具需要放置在高低溫的測試環(huán)境，而目前霍爾集成電路測試溫度通常最高可達(dá)150℃，最低為-55℃，所以需要選用抗高溫的材料作為測試夾具材料。為了排除干擾，提高可靠性，測試夾具僅包括金屬框架（圖5）、耐高溫插座、線圈和耐高溫線纜結(jié)構(gòu)，將所涉及的電阻、電容等器件全部在位于常溫環(huán)境的測試設(shè)備中搭接。

根據(jù)烘箱和低溫箱尺寸設(shè)置金屬框架，金屬框架按照橫向、縱向順序依次放置耐高溫插座以及配套線圈，再通過高溫線纜從高溫環(huán)境引出，經(jīng)串口可以連接至放置在常溫環(huán)境的測試設(shè)備。由于尺寸限制，經(jīng)試驗(yàn)一個金屬框架可以放置20只霍爾集成電路和配套線圈，考慮工作環(huán)境的保溫時間，僅一個金屬框架測試效率較低，所以選擇多個金屬框架一起放置在工作環(huán)境箱，采用相同的線纜串口，通過切換串口，完成多個金屬框架所有霍爾集成電路的測試，提高效率。

4、系統(tǒng)程序設(shè)計

測試系統(tǒng)設(shè)計程序的流程如圖6所示，此程序是先測量功耗電流確定產(chǎn)品有無。然后通過掃描（0-最大N-0-最大S-0-最大N）磁場，測量對應(yīng)的輸出電壓，確定產(chǎn)品類型。通過確定產(chǎn)品有無以及磁場極端值的掃描可以防止進(jìn)入死循環(huán)，并且在磁場測試時提高速度。

四、高精度測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證霍爾電路高低溫在線測試設(shè)備的功能，選取5只霍爾集成電路采用取出測試方法和在線測試方法分別進(jìn)行三溫測試，結(jié)果如表1、2所示。霍爾電路高低溫在線測試設(shè)備的測試精度高于原測試設(shè)備，

表1 原始測試設(shè)備的測試結(jié)果

125℃高溫測試測試儀器：霍爾電路手動測試設(shè)備、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 環(huán)境溫度：25℃ 濕度：46%RH條件 Vcc=4.5V Vcc=24V參數(shù) 導(dǎo)通磁場(mT)截止磁場(mT)回差(mT)輸出低電平電壓(V)導(dǎo)通磁場(mT)截止磁場(mT)回差(mT)輸出漏電流(μA）電源電流(mA)輸出低電平電壓(V)范圍 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤0.4 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤10 ≤8 ≤0.4 1 13.0 5.5 7.5 0.08 12.5 4.0 8.5 0 5.0 0.08 2 13.5 6.0 7.5 0.08 13.0 4.0 9.0 0 5.1 0.08 3 13.0 6.0 7.0 0.08 13.0 4.5 8.5 0 5.2 0.08 4 14.0 6.5 7.5 0.08 14.0 5.0 9.0 0 5.2 0.08 5 12.5 5.0 7.5 0.08 13.0 4.0 9.0 0 5.0 0.08-55℃低溫測試測試儀器：霍爾電路手動測試設(shè)備、低溫冷阱 環(huán)境溫度：25℃ 濕度：46%RH條件 Vcc=4.5V Vcc=24V參數(shù) 導(dǎo)通磁場(mT)輸出低電平電壓(V)范圍 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤0.4 4.5～27 2.5～25 ≥2 ≤10 ≤8 ≤0.4 1 13.0 7.0 6.0 0.09 12.5 6.0 6.5 0 7.2 0.09 2 13.0 7.0 6.0 0.09 13.0 5.5 7.5 0 7.4 0.09 3 12.5 7.5 5.0 0.09 12.0 5.0 7.0 0 7.4 0.09 4 12.5 7.0 5.5 0.09 12.5 5.5 7.0 0 7.4 0.09 5 12.5 7.0 5.5 0.09 12.5 6.0 6.5 0 7.1 0.09截止磁場(mT)回差(mT)輸出低電平電壓(V)導(dǎo)通磁場(mT)截止磁場(mT)回差(mT)輸出漏電流(μA）電源電流(mA)

表2 霍爾電路高低溫在線測試設(shè)備的測試結(jié)果