案例研究：将ICT和FCT优势结合在单个测试适配器中
2020-4-13
在线测试（ICT）是一种分析生产中电子产品的方法。
一般以针床来测试不上电的电路板，使用直接数字合成（DDS）和离散傅立叶变换（DFT）等技术生成刺激信号进行模拟测量分析，以此让在线测试仪（ICA）测量电感、电容、阻抗和电阻等实际数据，以便确认所有被测器件（DUT）测试节点的结果在公差范围内，以及是否有开路、短路、错件或极性接反的问题。这些都在不上电的情况下进行测量。继电器多路复用器可以用来连接探针触点和电路板的模拟通道或数字驱动器/传感器（D/S）（图1）。
图1：典型2x16针床继电器多路复用器（图中仅显示其中一个通道）
在一些更先进的系统中，通过电路上电并测量带负载的输入和输出特性，还可以使用ICA模块做一部分的器件功能测试（FCT）。这个测试通常是使用另一个测试适配器单独完成。这样做的原因如下：
首先，ICT针床的探针无法承载所需的电源电压或负载电流来对上电设备进行全功能测试。专用FCT测试台的重载探针必须能够承受高电流或高电压而不会有过热、飞弧或过度磨损的问题。缺点是这些重载探针占用更多的空间，因此FCT测试适配器通常一次只能检查一个DUT。
其次，ICA内部的可编程电源、继电器和电子负载也不适合大电流测试。如果只是简单地换成更大的电源，较高的电流可能会严重干扰到敏感的ICT测量的模拟量而导致误差，包括接地反弹、线压降以及感性负载在开关瞬间产生的瞬变。使用专用FCT适配器进行测量通常会有较低的分辨率和更大的滤波器，因此对于干扰并不敏感。另外，电源和继电器触点更坚固耐用，因此能够切换超过1安培的电流。
第三，继电器接口硬件和软件控制一般是通过并行输入输出（PIO）控制器和继电器驱动器来更改继电器配置（图2）。继电器的开关速度在ICT应用上通常不是问题，因为继电器在每次DUT测试结束后会多路复用连接进行重新配置，从一组引脚到下一组。如果是FCT测试适配器，每次测试时都要使用继电器来更改每个DUT的功能测试设置，因此继电器的控制数据吞吐量更高。在专用的FCT设置中，这不会造成问题，因为一次仅检查一个DUT，但是如果要以ICT/FCT适配器测试多个设备，那么中继控制的速度限制会是一个瓶颈。
图2：测试系统图
最后，虽然ICT可以在几毫秒内完成测量，但FCT程序无法在设备通电时立即进行测量，所以比ICT慢得多，因此在进行测量之前必须先确定FCT程序有输出，才能得到可靠的数据。通常，测量相同的产品，FCT程序所需的时间是ICT的五至十倍。如果将测试合并到一个ICT/FCT平台中，FCT的部分可能会阻碍生产。如果将两个程序分开，那么一台ICT仪器可以供给多个FCT测试台以提高吞吐量并减少阻塞。
但是，对于RECOM Power新开发的DC/DC产品系列来说，两个独立测试适配器带来的额外成本和测试时间是不被接受的，必须找到一种方法将ICT的速度优势与功能测试的100%质量保证（全部集成在一个测试适配器）结合起来。这是一个复杂的技术挑战：该产品系列涵盖的器件具有高达6A输出电流和60V输入电压。每个PCB板包含40个半成品模块，这意味着需要使用强大耐用的电源进行并行测试。因此数据吞吐量不仅很高，而且任何的定时错误都可能成为问题。RECOM与捷克的Elmatest签订了合同，共同为EMS供应商使用的Teledyne Teststation LH建造一个ICT/FCT组合测试适配器。
Elmatest的应用工程师Zdenek Martinek从一开始就意识到这不是一个普通的项目。有几个重要的问题需要解决：如何将ICT/FCT组合到一个连板；如何处理如此高的继电器控制数据吞吐量；如何加速FCT程序，以及如何在高功率下不伤害到敏感的探针。与RECOM研发部的Markus Stöger密切合作之后，他们找到了解决这些问题的方法。
首先要解决的问题是如何在产品的连板设计中结合ICT/FCT。每个PCB包含40个独立电路。这些模块不是部分而是一个已经完成生产、封装和丝印的成品，因此并非所有的内部节点都可以与ICT引脚面板连结。这是有意如此的。DC/DC转换器以较高的内部频率进行开关，金属外壳和多层PCB构成一个完整的六面法拉第笼来避免EMI问题。任何外部连接到内部高频开关节点都将形成一条路径让EMI穿过EMC屏蔽并发射辐射，这可能会导致测量上的误差。
“如何对密封的产品做ICT测试”的解决方法是为每个连板制作一个测试模块。测试模块可以通过连接到所有必要的ICT节点来验证每个连板是否正常。一旦测试模块通过了常规ICT程序，其余模块就只需要做FCT检查。
图3：PCB连板的正面和背面图，ICT测试模块位于角落
执行一次测试和测量程序所需的代码称为测试向量。测量所需的输入、输出和模拟信道的配置是以“突发数据”的形式传输。这些配置加载到本地板载存储器中，然后由定时触发信号同时激活。配置会被锁存直到测试完成，并且测量数据传回到CPU。与此同时，下一个突发数据会事先加载到寄存器，以等待下一次的触发信号。这种方法能够让ICT达到每向量约4µs的极高数据吞吐率。
但是GenRad Teststation使用的标准继电器驱动器是由并行输入/输出端口（PIO）控制器所驱动，而控制器是通过MXIbus接收控制PC所发出的命令（图2）。这个配置对于我们的项目而言太慢了，因为我们想使用高速系统控制器来控制继电器配置，在一个测试向量中处理不同的FCT测量。为了提高继电器切换速率，RECOM的测试适配器使用了一种“主动突发”的技术来实现新的中继驱动器拓扑。
执行主动突发时，有些继电器不是由PIO控制卡驱动而是直接由D/S输出驱动的，这些输出会一直保持在活动状态直到ICA测量完成。每个D/S可以设定9个独立功能（闲置、低或高电平驱动、低或高电平感应、保持、驱动深层串行存储器、感应深层串行存储器和收集CRC数据）。在本例中，我们使用了驱动回路供电给继电器。D/S驱动器输出限制在TTL电压和电流水平，通常不足以在没有独立驱动回路的情况下驱动继电器，但是如果使用达林顿晶体管电流放大器继电器线圈来制作测试适配器，D/S模块就能够绕过PIO控制器直接操作继电器，不但让继电器控制变得即时也让编码更加简单。
需要解决的第二个问题是如何加快FCT的测试速度，因为等待模拟电平稳定下来会使整个测试时间过长。技巧是利用ICA系统既有的处理能力，使用直接数字合成（DDS）和离散傅立叶变换（DFT）之类的波形生成和分析技术，因为它们本来就比任何模拟电桥平衡测量技术还要快。这一突破使我们意识到这些先进的技术可用来确定加电功能测试。与其施加稳定负载、等待输出稳定之后测量输入和输出电流和电压，不如将输出负载脉冲延迟数毫秒之后，将处理结果用来得出最终输出特性。这样可以缩短80%的测量时间。
图4：6端阻抗测量
一个重大的开发问题是将这种动态负载和电源切换与GenRad测试设备使用的旧Spaghetti软件相匹配，该软件由Pascal、Assembler和Basic组成。虽然GenRad早在2003年就不再以独立公司的身份存在，但它耐用的设计值得称赞，即使在今天，也可以在它原始硬件基础上使用最新的操作系统 。
第二个问题的解决方法也同时解决了第三个问题：如何避免损坏敏感探针。由于负载电流只在很短的时间内产生脉冲，即使6A峰值电流流过额定仅两安培的探头，在这非常小的接触点上也不会有明显的局部发热。另外还可以编程开/关时间比，这样即使进行顺序测量，探针尖端在脉冲之间得以冷却，避免烧坏或烧焦。这种脉冲负载技术也可确保电源不会过载。
ICT还可以测量用来预先设置输出电压的内部分压器电阻，使测试系统能够自动从ICT得出输出电压、输出电流和输入电压范围，然后将这些数据传输到FCT测试程序中以便执行适当的功能测试。这样就消除了由于操作人员错误地将FCT变量设置超出范围，从而导致损坏产品、昂贵的引脚板或可编程电源的可能性。
使用这些技术的结果是，每个DC/DC模块的ICT/FCT组合测试时间约1.8至1.9秒，这意味着可以在不到80秒的时间内对整个PCB连板进行100%的测试，包含了移除已测试完成的PCB以及将下一个要测试的PCB放入测试适配器中。最小的运行量为5000次，累计节省下来的时间有助于整个产品系列的成功。正是如此，RPM模块的设计从最初单一系列八个型号扩展到现在三个系列共二十二个型号，所有模块都具有相同的封装和测试适配器。
图5：测试中的适配器成品
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图1：典型2x16针床继电器多路复用器（图中仅显示其中一个通道）
在一些更先进的系统中，通过电路上电并测量带负载的输入和输出特性，还可以使用ICA模块做一部分的器件功能测试（FCT）。这个测试通常是使用另一个测试适配器单独完成。这样做的原因如下：
首先，ICT针床的探针无法承载所需的电源电压或负载电流来对上电设备进行全功能测试。专用FCT测试台的重载探针必须能够承受高电流或高电压而不会有过热、飞弧或过度磨损的问题。缺点是这些重载探针占用更多的空间，因此FCT测试适配器通常一次只能检查一个DUT。
其次，ICA内部的可编程电源、继电器和电子负载也不适合大电流测试。如果只是简单地换成更大的电源，较高的电流可能会严重干扰到敏感的ICT测量的模拟量而导致误差，包括接地反弹、线压降以及感性负载在开关瞬间产生的瞬变。使用专用FCT适配器进行测量通常会有较低的分辨率和更大的滤波器，因此对于干扰并不敏感。另外，电源和继电器触点更坚固耐用，因此能够切换超过1安培的电流。
第三，继电器接口硬件和软件控制一般是通过并行输入输出（PIO）控制器和继电器驱动器来更改继电器配置（图2）。继电器的开关速度在ICT应用上通常不是问题，因为继电器在每次DUT测试结束后会多路复用连接进行重新配置，从一组引脚到下一组。如果是FCT测试适配器，每次测试时都要使用继电器来更改每个DUT的功能测试设置，因此继电器的控制数据吞吐量更高。在专用的FCT设置中，这不会造成问题，因为一次仅检查一个DUT，但是如果要以ICT/FCT适配器测试多个设备，那么中继控制的速度限制会是一个瓶颈。
图2：测试系统图
最后，虽然ICT可以在几毫秒内完成测量，但FCT程序无法在设备通电时立即进行测量，所以比ICT慢得多，因此在进行测量之前必须先确定FCT程序有输出，才能得到可靠的数据。通常，测量相同的产品，FCT程序所需的时间是ICT的五至十倍。如果将测试合并到一个ICT/FCT平台中，FCT的部分可能会阻碍生产。如果将两个程序分开，那么一台ICT仪器可以供给多个FCT测试台以提高吞吐量并减少阻塞。
但是，对于RECOM Power新开发的DC/DC产品系列来说，两个独立测试适配器带来的额外成本和测试时间是不被接受的，必须找到一种方法将ICT的速度优势与功能测试的100%质量保证（全部集成在一个测试适配器）结合起来。这是一个复杂的技术挑战：该产品系列涵盖的器件具有高达6A输出电流和60V输入电压。每个PCB板包含40个半成品模块，这意味着需要使用强大耐用的电源进行并行测试。因此数据吞吐量不仅很高，而且任何的定时错误都可能成为问题。RECOM与捷克的Elmatest签订了合同，共同为EMS供应商使用的Teledyne Teststation LH建造一个ICT/FCT组合测试适配器。
Elmatest的应用工程师Zdenek Martinek从一开始就意识到这不是一个普通的项目。有几个重要的问题需要解决：如何将ICT/FCT组合到一个连板；如何处理如此高的继电器控制数据吞吐量；如何加速FCT程序，以及如何在高功率下不伤害到敏感的探针。与RECOM研发部的Markus Stöger密切合作之后，他们找到了解决这些问题的方法。
首先要解决的问题是如何在产品的连板设计中结合ICT/FCT。每个PCB包含40个独立电路。这些模块不是部分而是一个已经完成生产、封装和丝印的成品，因此并非所有的内部节点都可以与ICT引脚面板连结。这是有意如此的。DC/DC转换器以较高的内部频率进行开关，金属外壳和多层PCB构成一个完整的六面法拉第笼来避免EMI问题。任何外部连接到内部高频开关节点都将形成一条路径让EMI穿过EMC屏蔽并发射辐射，这可能会导致测量上的误差。
“如何对密封的产品做ICT测试”的解决方法是为每个连板制作一个测试模块。测试模块可以通过连接到所有必要的ICT节点来验证每个连板是否正常。一旦测试模块通过了常规ICT程序，其余模块就只需要做FCT检查。
图3：PCB连板的正面和背面图，ICT测试模块位于角落
执行一次测试和测量程序所需的代码称为测试向量。测量所需的输入、输出和模拟信道的配置是以“突发数据”的形式传输。这些配置加载到本地板载存储器中，然后由定时触发信号同时激活。配置会被锁存直到测试完成，并且测量数据传回到CPU。与此同时，下一个突发数据会事先加载到寄存器，以等待下一次的触发信号。这种方法能够让ICT达到每向量约4µs的极高数据吞吐率。
但是GenRad Teststation使用的标准继电器驱动器是由并行输入/输出端口（PIO）控制器所驱动，而控制器是通过MXIbus接收控制PC所发出的命令（图2）。这个配置对于我们的项目而言太慢了，因为我们想使用高速系统控制器来控制继电器配置，在一个测试向量中处理不同的FCT测量。为了提高继电器切换速率，RECOM的测试适配器使用了一种“主动突发”的技术来实现新的中继驱动器拓扑。
执行主动突发时，有些继电器不是由PIO控制卡驱动而是直接由D/S输出驱动的，这些输出会一直保持在活动状态直到ICA测量完成。每个D/S可以设定9个独立功能（闲置、低或高电平驱动、低或高电平感应、保持、驱动深层串行存储器、感应深层串行存储器和收集CRC数据）。在本例中，我们使用了驱动回路供电给继电器。D/S驱动器输出限制在TTL电压和电流水平，通常不足以在没有独立驱动回路的情况下驱动继电器，但是如果使用达林顿晶体管电流放大器继电器线圈来制作测试适配器，D/S模块就能够绕过PIO控制器直接操作继电器，不但让继电器控制变得即时也让编码更加简单。
需要解决的第二个问题是如何加快FCT的测试速度，因为等待模拟电平稳定下来会使整个测试时间过长。技巧是利用ICA系统既有的处理能力，使用直接数字合成（DDS）和离散傅立叶变换（DFT）之类的波形生成和分析技术，因为它们本来就比任何模拟电桥平衡测量技术还要快。这一突破使我们意识到这些先进的技术可用来确定加电功能测试。与其施加稳定负载、等待输出稳定之后测量输入和输出电流和电压，不如将输出负载脉冲延迟数毫秒之后，将处理结果用来得出最终输出特性。这样可以缩短80%的测量时间。
图4：6端阻抗测量
一个重大的开发问题是将这种动态负载和电源切换与GenRad测试设备使用的旧Spaghetti软件相匹配，该软件由Pascal、Assembler和Basic组成。虽然GenRad早在2003年就不再以独立公司的身份存在，但它耐用的设计值得称赞，即使在今天，也可以在它原始硬件基础上使用最新的操作系统 。
第二个问题的解决方法也同时解决了第三个问题：如何避免损坏敏感探针。由于负载电流只在很短的时间内产生脉冲，即使6A峰值电流流过额定仅两安培的探头，在这非常小的接触点上也不会有明显的局部发热。另外还可以编程开/关时间比，这样即使进行顺序测量，探针尖端在脉冲之间得以冷却，避免烧坏或烧焦。这种脉冲负载技术也可确保电源不会过载。
ICT还可以测量用来预先设置输出电压的内部分压器电阻，使测试系统能够自动从ICT得出输出电压、输出电流和输入电压范围，然后将这些数据传输到FCT测试程序中以便执行适当的功能测试。这样就消除了由于操作人员错误地将FCT变量设置超出范围，从而导致损坏产品、昂贵的引脚板或可编程电源的可能性。
使用这些技术的结果是，每个DC/DC模块的ICT/FCT组合测试时间约1.8至1.9秒，这意味着可以在不到80秒的时间内对整个PCB连板进行100%的测试，包含了移除已测试完成的PCB以及将下一个要测试的PCB放入测试适配器中。最小的运行量为5000次，累计节省下来的时间有助于整个产品系列的成功。正是如此，RPM模块的设计从最初单一系列八个型号扩展到现在三个系列共二十二个型号，所有模块都具有相同的封装和测试适配器。
图5：测试中的适配器成品
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