Die Vorteile von ICT und FCT in einem einzigen Testadapter kombiniert
13.04.2020
In-Circuit Testing (ICT) ist eine etablierte Methode zur Analyse eines elektronischen Produkts. Typischerweise wird dabei ein Nagelbett-Ansatz verwendet, um eine nicht mit Strom versorgte Leiterplatte zu testen, und Techniken wie die direkte digitale Synthese (DDS) und die diskrete Fouriertransformation (DFT) werden verwendet, um Stimuli zu erzeugen und Messungen durchzuführen.
Auf diese Weise kann der In-Circuit Analyzer (ICA) Attribute wie Induktivität, Kapazität und Widerstand messen, um zu überprüfen, ob alle Prüfergebnisse innerhalb der Toleranz liegen und ob eine Komponente offen, kurzgeschlossen oder falsch ist. Die Verbindung zwischen den Nagelkontakten und dem entsprechenden Kanal oder dem digitalen Treiber/Sensor (D/S) auf der Pinnwand erfolgt über Relais (Abbildung 1)
Abbildung 1: Typischer 2x16-Relaismultiplexer mit Nagelbett (nur ein Kanal im Diagramm dargestellt)
In einigen weiterentwickelten Systemen kann das ICA-Modul auch zum Testen eingeschränkter Funktionskomponenten (FCT) verwendet werden, indem das Gerät mit Strom versorgt wird und die Eingangs- und Ausgangseigenschaften unter Last gemessen werden. Häufig wird dieser Test separat mit einem zweiten Testadapter durchgeführt. Dafür gibt es viele praktische Gründe:
1: Die ICT-Nagelbett-Sonden sind nicht für die erforderliche Versorgungsspannung oder den Laststrom ausgelegt. Ein dedizierter FCT-Prüfstand verfügt über Hochleistungskontakte, die so ausgelegt sind, dass sie höhere Ströme oder Spannungen führen, ohne überhitzt zu werden, sich zu entzünden oder übermäßigem Verschleiß zu unterliegen.
2: Die programmierbaren Netzteile, Relais und elektronischen Lasten sind ebenfalls nicht für Hochleistungstests ausgelegt.
3: Die Hardware- und Softwaresteuerung der Relaisschnittstelle erfolgt über einen PIO-Controller (Parallel Input / Output) und einen Relaistreiber. Für IKT-Anwendungen ist die Relaisschaltgeschwindigkeit kein Problem. In einem FCT-Testadapter werden die Relais jedoch verwendet, um die Konfiguration der Funktionstests für jeden einzelnen Test zu ändern, sodass eine schnelle Schaltgeschwindigkeit erforderlich ist.
Abbildung 2: Oberes und unteres Bild der Multi-Panel-Platine mit dem ICT-Testmodul in der Ecke.
4: Während IKT-Messungen in Millisekunden durchgeführt werden können, sind die FCT-Verfahren viel langsamer, da sich die Ergebnisse erst einstellen müssen. In der Regel dauert der FCT-Vorgang fünf- bis zehnmal so lange wie der IKT-Vorgang für dasselbe Produkt. Um Engpässe zu reduzieren, können pro IKT zwei FCT-Prüfstände eingesetzt werden.
Für eine neu entwickelte DC/DC-Serie, die von der österreichischen Firma RECOM Power entwickelt wurde, waren die zusätzlichen Kosten und die Testzeit für zwei separate Testadapter nicht akzeptabel. Es musste ein Weg gefunden werden, um den Hochgeschwindigkeitsvorteil von ICT mit der QC von FCT in einem Testadapter zu kombinieren. Dies war technisch eine Herausforderung, da die DC/DC-Serie Geräte mit 6 A Ausgangsstrom und 60 V Eingangsspannung abdeckte. Jedes Panel enthielt 40 unvollständige Module, was bedeutete, dass Hochleistungsstromversorgungen erforderlich waren und Zeitsteuerungsfehler problematisch sein konnten. RECOM beauftragte Elmatest in der Tschechischen Republik mit dem Bau eines kombinierten ICT/FCT-Testadapters für die vom EMS-Anbieter verwendete Teledyne Teststation LH.
Der Anwendungstechniker Zdenek Martinek hat von Anfang an erkannt, dass dies kein gewöhnliches Projekt ist. Es gab mehrere Probleme, die gelöst werden mussten: Wie kombiniere ich ICT/FCT in einer Leiterplatte, wie erhöhe ich die Relaisgeschwindigkeit und wie komme ich mit den hohen Leistungsniveaus zurecht, ohne die empfindlichen Sonden zu beschädigen? In enger Zusammenarbeit mit Markus Stöger von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von RECOM wurde eine Lösung für all diese Probleme gefunden.
Das erste Problem, das gelöst werden musste, war die Kombination von ICT/FCT in der Multi-Panel-Leiterplatte. Jedes Panel enthielt 40 unabhängige Module, die bereits vollständige Produkte waren, die fertiggestellt, verkleidet und siebgedruckt waren, und die internen Knoten waren für das Pin-Panel nicht zugänglich. Die Antwort auf die Frage „Wie teste ich ein beiliegendes und unzugängliches Produkt?“ bestand darin, auf jeder Leiterplatte ein Testmodul zu erstellen. Nachdem das konventionelle ICT-Verfahren am Testmodul durchgeführt wurde, müssen nur noch die verbleibenden Module FCT-geprüft werden.
Abbildung 3: Blockdiagramm des Testsystems
Der Code, der zur Durchführung eines einzelnen Test- und Messprozesses erforderlich ist, wird als Testvektor bezeichnet. Die Testkonfiguration wird als Daten-Burst übertragen, der in den lokalen On-Board-Speicher geladen und dann durch ein Strobe-Signal aktiviert wird. Diese Einstellung wird dann gespeichert, bis alle Messdaten zurück in die CPU übertragen wurden. In der Zwischenzeit kann der nächste Datenburst in die Register vorgeladen werden, um auf den nächsten Strobe zu warten. So erreicht ICT einen schnellen Durchsatz von 4µs pro Vektor.
Die in der TestStation verwendeten Standard-Relaistreiber werden vom PIO über den MXI-Bus angesteuert (Abbildung 2). Diese werden mit einer viel langsameren Rate ausgeführt. Um die Relaisumschaltung zu beschleunigen, wurde eine neuartige Relaistreiber-Topologie implementiert, die auf einer Technik namens „Active Burst“ basiert. Im aktiven Burst werden einige der Relais nicht vom PIO angesteuert, sondern direkt von aktiven D/S-Ausgängen. Der D/S-Ausgang ist auf TTL-Spannungs- und Strompegel begrenzt, was normalerweise nicht ausreicht, um ein Relais ohne separaten Treiber zu betreiben. Durch den Bau des Testadapters mit Darlington-Transistor-Stromverstärker-Relaisspulen konnten die D/S-Module das Relais direkt betreiben. Mit 4µs lief die Relaissteuerung quasi ohne Verzögerung wodurch die Codierung viel einfacher wurde.
Das zweite Problem, das gelöst werden musste, war die Beschleunigung des FCT. Die hier verwendete Technik bestand darin, die dem ICA-System bereits innewohnende Verarbeitungsleistung zu nutzen. Wellenformsynthese, DDS und DFT sind von Natur aus schneller als jede analoge Bridge-Balancing-Messtechnik. Anstatt auf die Stabilisierung des Ausgangs zu warten, könnte die Ausgangslast einige Millisekunden lang gepulst und die anfänglichen Ergebnisse verarbeitet werden, um die endgültigen Ausgangseigenschaften abzuleiten. Dies reduzierte die Messzeit um bis zu 80%.
Abbildung 4: 6-Terminal Impedance Measurement
Die Lösung des zweiten Problems löste auch das dritte Problem: wie man eine Beschädigung der empfindlichen Sonden vermeidet. Da der Laststrom nur für eine sehr kurze Zeit gepulst wurde, konnte keine merkliche Erwärmung der Spitzen festgestellt werden, selbst bei einem Spitzenstrom von 6A durch eine Sonde, die nur für 2A ausgelegt war. Diese gepulste Lasttechnik bedeutete auch, dass die Stromversorgungen kleiner sein konnten und die Relaiskontakte nicht beschädigten.
Das Nettoergebnis all dieser Techniken war eine kombinierte ICT/FCT-Testzeit von <1,9 Sekunden pro DC/DC-Modul, was bedeutet, dass ein vollständiges PCB-Multi-Panel in weniger als 80 Sekunden zu 100% getestet werden kann. Bei einer Mindestproduktion von 5.000 Stück war die kumulierte Zeitersparnis entscheidend für den Erfolg des Produkts – so sehr, dass das ursprüngliche Design des RPM-Moduls jetzt von einer einzelnen Serie auf drei verschiedene Serien mit insgesamt 22 Varianten erweitert wurde, die alle dieselbe Grundfläche und denselben Testadapter teilen.
Abbindung 5: Der fertige Testadapter in Aktion
RECOM: We Power your Products
Abbildung 1: Typischer 2x16-Relaismultiplexer mit Nagelbett (nur ein Kanal im Diagramm dargestellt)
In einigen weiterentwickelten Systemen kann das ICA-Modul auch zum Testen eingeschränkter Funktionskomponenten (FCT) verwendet werden, indem das Gerät mit Strom versorgt wird und die Eingangs- und Ausgangseigenschaften unter Last gemessen werden. Häufig wird dieser Test separat mit einem zweiten Testadapter durchgeführt. Dafür gibt es viele praktische Gründe:
1: Die ICT-Nagelbett-Sonden sind nicht für die erforderliche Versorgungsspannung oder den Laststrom ausgelegt. Ein dedizierter FCT-Prüfstand verfügt über Hochleistungskontakte, die so ausgelegt sind, dass sie höhere Ströme oder Spannungen führen, ohne überhitzt zu werden, sich zu entzünden oder übermäßigem Verschleiß zu unterliegen.
2: Die programmierbaren Netzteile, Relais und elektronischen Lasten sind ebenfalls nicht für Hochleistungstests ausgelegt.
3: Die Hardware- und Softwaresteuerung der Relaisschnittstelle erfolgt über einen PIO-Controller (Parallel Input / Output) und einen Relaistreiber. Für IKT-Anwendungen ist die Relaisschaltgeschwindigkeit kein Problem. In einem FCT-Testadapter werden die Relais jedoch verwendet, um die Konfiguration der Funktionstests für jeden einzelnen Test zu ändern, sodass eine schnelle Schaltgeschwindigkeit erforderlich ist.
Abbildung 2: Oberes und unteres Bild der Multi-Panel-Platine mit dem ICT-Testmodul in der Ecke.
4: Während IKT-Messungen in Millisekunden durchgeführt werden können, sind die FCT-Verfahren viel langsamer, da sich die Ergebnisse erst einstellen müssen. In der Regel dauert der FCT-Vorgang fünf- bis zehnmal so lange wie der IKT-Vorgang für dasselbe Produkt. Um Engpässe zu reduzieren, können pro IKT zwei FCT-Prüfstände eingesetzt werden.
Für eine neu entwickelte DC/DC-Serie, die von der österreichischen Firma RECOM Power entwickelt wurde, waren die zusätzlichen Kosten und die Testzeit für zwei separate Testadapter nicht akzeptabel. Es musste ein Weg gefunden werden, um den Hochgeschwindigkeitsvorteil von ICT mit der QC von FCT in einem Testadapter zu kombinieren. Dies war technisch eine Herausforderung, da die DC/DC-Serie Geräte mit 6 A Ausgangsstrom und 60 V Eingangsspannung abdeckte. Jedes Panel enthielt 40 unvollständige Module, was bedeutete, dass Hochleistungsstromversorgungen erforderlich waren und Zeitsteuerungsfehler problematisch sein konnten. RECOM beauftragte Elmatest in der Tschechischen Republik mit dem Bau eines kombinierten ICT/FCT-Testadapters für die vom EMS-Anbieter verwendete Teledyne Teststation LH.
Der Anwendungstechniker Zdenek Martinek hat von Anfang an erkannt, dass dies kein gewöhnliches Projekt ist. Es gab mehrere Probleme, die gelöst werden mussten: Wie kombiniere ich ICT/FCT in einer Leiterplatte, wie erhöhe ich die Relaisgeschwindigkeit und wie komme ich mit den hohen Leistungsniveaus zurecht, ohne die empfindlichen Sonden zu beschädigen? In enger Zusammenarbeit mit Markus Stöger von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von RECOM wurde eine Lösung für all diese Probleme gefunden.
Das erste Problem, das gelöst werden musste, war die Kombination von ICT/FCT in der Multi-Panel-Leiterplatte. Jedes Panel enthielt 40 unabhängige Module, die bereits vollständige Produkte waren, die fertiggestellt, verkleidet und siebgedruckt waren, und die internen Knoten waren für das Pin-Panel nicht zugänglich. Die Antwort auf die Frage „Wie teste ich ein beiliegendes und unzugängliches Produkt?“ bestand darin, auf jeder Leiterplatte ein Testmodul zu erstellen. Nachdem das konventionelle ICT-Verfahren am Testmodul durchgeführt wurde, müssen nur noch die verbleibenden Module FCT-geprüft werden.
Abbildung 3: Blockdiagramm des Testsystems
Der Code, der zur Durchführung eines einzelnen Test- und Messprozesses erforderlich ist, wird als Testvektor bezeichnet. Die Testkonfiguration wird als Daten-Burst übertragen, der in den lokalen On-Board-Speicher geladen und dann durch ein Strobe-Signal aktiviert wird. Diese Einstellung wird dann gespeichert, bis alle Messdaten zurück in die CPU übertragen wurden. In der Zwischenzeit kann der nächste Datenburst in die Register vorgeladen werden, um auf den nächsten Strobe zu warten. So erreicht ICT einen schnellen Durchsatz von 4µs pro Vektor.
Die in der TestStation verwendeten Standard-Relaistreiber werden vom PIO über den MXI-Bus angesteuert (Abbildung 2). Diese werden mit einer viel langsameren Rate ausgeführt. Um die Relaisumschaltung zu beschleunigen, wurde eine neuartige Relaistreiber-Topologie implementiert, die auf einer Technik namens „Active Burst“ basiert. Im aktiven Burst werden einige der Relais nicht vom PIO angesteuert, sondern direkt von aktiven D/S-Ausgängen. Der D/S-Ausgang ist auf TTL-Spannungs- und Strompegel begrenzt, was normalerweise nicht ausreicht, um ein Relais ohne separaten Treiber zu betreiben. Durch den Bau des Testadapters mit Darlington-Transistor-Stromverstärker-Relaisspulen konnten die D/S-Module das Relais direkt betreiben. Mit 4µs lief die Relaissteuerung quasi ohne Verzögerung wodurch die Codierung viel einfacher wurde.
Das zweite Problem, das gelöst werden musste, war die Beschleunigung des FCT. Die hier verwendete Technik bestand darin, die dem ICA-System bereits innewohnende Verarbeitungsleistung zu nutzen. Wellenformsynthese, DDS und DFT sind von Natur aus schneller als jede analoge Bridge-Balancing-Messtechnik. Anstatt auf die Stabilisierung des Ausgangs zu warten, könnte die Ausgangslast einige Millisekunden lang gepulst und die anfänglichen Ergebnisse verarbeitet werden, um die endgültigen Ausgangseigenschaften abzuleiten. Dies reduzierte die Messzeit um bis zu 80%.
Abbildung 4: 6-Terminal Impedance Measurement
Die Lösung des zweiten Problems löste auch das dritte Problem: wie man eine Beschädigung der empfindlichen Sonden vermeidet. Da der Laststrom nur für eine sehr kurze Zeit gepulst wurde, konnte keine merkliche Erwärmung der Spitzen festgestellt werden, selbst bei einem Spitzenstrom von 6A durch eine Sonde, die nur für 2A ausgelegt war. Diese gepulste Lasttechnik bedeutete auch, dass die Stromversorgungen kleiner sein konnten und die Relaiskontakte nicht beschädigten.
Das Nettoergebnis all dieser Techniken war eine kombinierte ICT/FCT-Testzeit von <1,9 Sekunden pro DC/DC-Modul, was bedeutet, dass ein vollständiges PCB-Multi-Panel in weniger als 80 Sekunden zu 100% getestet werden kann. Bei einer Mindestproduktion von 5.000 Stück war die kumulierte Zeitersparnis entscheidend für den Erfolg des Produkts – so sehr, dass das ursprüngliche Design des RPM-Moduls jetzt von einer einzelnen Serie auf drei verschiedene Serien mit insgesamt 22 Varianten erweitert wurde, die alle dieselbe Grundfläche und denselben Testadapter teilen.
Abbindung 5: Der fertige Testadapter in Aktion
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