使用脉冲SMU输出分析大功率IV特性

所有源测量单元(SMU)都有一个直流功率边界，代表该仪器进行源级/漏极电流操作时的电压和电流限制值。此外，有些SMU输出的是脉冲电流或电压，而不是作为恒定直流源，所以在超过基本的直流功率边界时也可以工作。即使更宽的脉冲边界中存在输出限制，这些SMU对于大功率IV特性分析仍然大有裨益，同时可简化整体复杂性。

在脉冲模式下进行测试有两个主要优势：

更宽的功率边界－使用单个SMU在高瞬态功率下进行测试

源级高功率适用于某些设备的IV特性分析，例如高亮度LED、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和MOSFET；而漏极高功率脉冲则适用于SMU作为功率管理IC等设备负载的情况。借助具有宽脉冲边界的SMU，您能够进行大功率测试，而无需堆叠多个SMU以获得更大功率。

DUT自热效应最小化－能在有限或无散热设施的情况下测试大功率组件

通常，SMU提供的功率在待测设备(DUT)中以热量的形式耗散。这不但会提高温度，还会改变DUT的导电性能和物理性能。在​特定​的​温度​下，​DUT​的性能会​大幅​变化，​使得​获得​的​IV​数据​非常​不​准确，​或者​损坏​DUT。使用脉冲供电替代恒定DC电源可减少DUT的平均功率损耗，并最大限度地降低自热效应。在实际操作中，测试工程师发现使用脉冲测试非常可取，因为这样他们不必组装精密的热管理系统也可以测试大功率设备。

具有宽脉冲范围的SMU通常使用一种独特的输出架构，可使功率短暂地超出额定的DC边界。举例来说，NI PXIe-4139高​精度系统SMU可产生高达500 W的脉冲，远高于20 W DC的限制。

NI PXIe-4139具有足够大的内部电容，可支持SMU的内部电源(Vpwr)暂时超过20 W的最大DC输出限制，使其有能力输出短暂大功率脉冲，而不必受限于输出范围。

由于NI PXIe-4139等SMU能够短暂输出大于电源所提供的功率，所以其输出功率的速度和时间会受到限制。通常情况下，SMU的一些关键脉冲参数也会受到限制，从而确保SMU可持续稳定输出所需的功率，而不会因为漏极输出过多功率而过热。当SMU在宽脉冲边界内运行时，必须注意占空比、最大功率、最大/最小脉冲导通时间、最小脉冲周期等脉冲参数。

大多数采用SMU的半导体测试应用都会涉及源和测量操作。基本的DC扫描分析会逐步增大输出电平直到完成序列，下图所示的是一个5阶的电流值序列。

脉冲扫描分析和DC扫描分析的相似之处在于都需要输出一个设定值，并等待该值稳定后再进行测量。与DC扫描分析相比，脉冲测试的主要差异在于电源会在短暂的脉冲持续期后回归偏置电平。在大多数情况下，设置偏置电平是为了关闭DUT（例如0 V或0 A）。

在理想情况下，上述两个图形中的脉冲序列和DC序列都会返回相同的IV数据。然而，如前所述，DC序列会导致DUT耗散更多热量，功率损耗更大，进而电路行为异常或测试结果不如人意。因此脉冲测试更适合此类应用。  

在脉冲模式下测试时，脉冲宽度应足够长，以便设备达到全范围状态后进行稳定的测量，但同时应足够短，以便将DUT的自热效应降至最低。脉冲测试时，快速清晰的SMU响应格外重要，因为SMU的初始电平一般是脉冲偏置电平而不是在输出电平的基础上小幅逐步增加。

根据DUT的阻抗和所需的脉冲特性，SMU的瞬态响应可能过快或过慢。当响应过快时，输出电平会发生过冲或者变得不稳定，可能会对DUT造成损害。如果响应过慢，SMU在脉冲导通期间将无法达到所需的输出值。在这两种极端情况下，SMU都无法快速稳定至可以进行测量的状态，则必须延长脉冲宽度。但是这样既影响整个测试序列，同时又增加DUT的散热量。

生成非常狭窄的脉冲时，一定要避免上述两种情况，因为这会导致IV数据很不理想。为了确保SMU能生成清晰的脉冲（如下图所示），我们需要使用具有足够高采样率的仪器来捕捉详细的SMU瞬态响应特性。以前此操作需要连接外部示波器；但现在一些较新的SMU配备了内置数字化仪。 

数字化脉冲的另一个优点是能够可视化所需的信号源延迟和测量窗口（孔径时间）。SMU通常在经过信号源延迟之后立即开始测量，因此优化信号源延迟对于脉冲测试至关重要。如果信号源延迟过短，在输出仍然在升高时SMU就会开始测试，导致测量数据不正确。如果信号源延迟过长，测量窗口缩小，测量精度就会降低。

为了演示使用SMU进行脉冲测试，我们将使用NI PXIe-4139对CREE的大功率LED进行特性分析。由于LED的IV要求(37 Vf，2.5 Imax)，我们必须在扩展脉冲边界内运行SMU，这样​才能够​生成​远超过​20 W DC限制​的​500 W​脉冲。

针对这款LED的IV特性分析，我们将对LED进行0到2.5 A的电流扫描。如果使用传统的DC序列来测试LED特性，就会面临两个挑战。第一，为了满足IV扫描所需的电流和电压， 我们可能需要并联多个SMU。这些额外的SMU不仅使得整个装置在线路连接和编程方面变得复杂，还增加了测试系统的规模和成本。第二，我们可能要为这个小型的LED提供高达100 W的功率。如果没有参照下图安装散热装置，则DC供电时间过长可能会损坏LED。使用脉冲模式的SMU就可以避免这两个难题，因为我们只需使用一个仪器就可以在LED上执行完整的IV扫描，且无需外部散热装置。

为了尽可能提高测试速度，同时降低经由LED的热量耗散，我们将使用仪器的最小脉冲宽度(50 µs)。生成可用的50 μs脉冲颇具挑战性，因此为了确保从SMU获得清晰、稳定的脉冲，我们将借助于NI PXIe-4139特有的​两​个​功能。首先，我们将使用该仪器作为数字化仪来深入分析脉冲的瞬态特性。其次，我们会使用NI SourceAdapt技术来自定义此脉冲，获得较短的上升时间，同时避免过冲或震荡。

脉冲生成和数字化

生成大功率狭窄脉冲时，确保SMU响应快速且稳定非常重要。本例中使用的SMU是NI PXIe-4139，该仪器具有内置数字化仪模式，采样率高达1.8 MS/s，所以我们可使用这个SMU的测量功能对输出进行数字化。如果没有这个功能，就需要外接可同时测量电流和高电压的示波器。

将SMU脉冲数字化有助于深入分析脉冲特性，并且​验证​SMU能够在序列中的每一步进行准确测量。在本例中，我们会发现SMU不会在50 µs的时间窗内稳定下来，因此无法通过这些设置获得准确的IV数据。这时我们需要延长脉冲导通时间，或是调节SMU的响应。

使用NI SourceAdapt进行脉冲整形

NI PXIe-4139搭载了NI SourceAdapt技术，可帮助用户自定义SMU的瞬态响应。在本例中，我们需要使用此功能来优化脉冲的上升时间，同时维持稳定响应，避免过冲。

上图为SourceAdapt设置经过调整后的脉冲特性。了解上述脉冲特性之后，我们就可以确定SMU所需的稳定条件和孔径时间，确保IV扫描最终返回准确的数据。下图显示的是0到2.5 A的SMU扫描以及序列中每个点的电压和电流测量。

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脉冲是SMU相当实用的功能之一，可帮助您测试大功率设备而无需多个SMU和散热装置，从而简化测试装置。基于上述优势，许多测试工程师对脉冲测试的青睐远胜过传统DC序列。使用大功率脉冲进行测试时，SMU响应、脉冲参数、分析脉冲特性的能力都是采集准确IV数据不可或缺的要素。

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