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白皮書

針對自動測試設備的配電網路設計

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從集中式電源到 ATE 的分佈式電源架構

以往,自動測試設備(ATE)一直是採用集中式電源架構構建的。 銀盒電源可提供數量有限的標準化供電電壓,然後將其提供給各個測試卡。 這樣的安排是有效的,也很便捷,因為儀器卡電路並不需要很大的功率:大部分線性穩壓的電壓來自最近的可用電源電壓,它從集中式銀盒電源提供給每個卡。 此外,早期的 DC-DC 轉換器價格昂貴,體積大,雜訊大,而且電源設計人員也不熟悉。

由於儀器卡要求的通道和負載在數量和多樣化方面的新增,分佈式電源架構已成為必然的選擇。 一個簡單的、集中式“大容量”功率器件可為背板配電系統提供一個經穩壓的較高的 DC 電壓,它通常為 48V。 DC-DC 轉換器佔用了測試卡周邊的部分區域,其輸出緊密匹配量測電路的需要。

隨時間推移的 ATE 電源配電架構演變圖

圖 1:隨時間推移的 ATE 電源配電架構演變。

今天的測試電路需要更多的電力進行操作,而且電壓/電流要求的範圍很廣。 與此同時,測試儀器需要的不僅僅只是功率,而且要能够快速準確地調節各種電壓軌,以完全表徵一個被測設備(DUT)的類比分區。 先進設計的 VSLI 或者 SOC 效能和密度的提高驅動著電源系統成為 ATE 的一個關鍵部分。

“更高密度”、“更高動態”的趨勢同樣是 48V 範圍電壓的挑戰,因為較高的電流需要在密集的電路板內有較大的銅截面。 今天,人們正在探索一些新的概念,包括分比式電源架構和 400VDC 配電。

接下來,我們將分析儀器卡和 DUT 要求如何影響一個 ATE 系統內的電源配電架構,以及優化一個 ATE 機架內的配電網路需要考慮的主要設計參數,其中包括各種儀器卡和量測電路。

配電網路設計注意事項

正如上段和圖 1 所示,集中式電源已經被廢棄了相當長的一段時間,而採用背板配電管道的分佈式電源是今天標準的做法。 很長的一段時間,電信和資料通信行業一直在使用這種方法,而且在許多方面面臨著與現代 ATE 同樣的挑戰。 其實,ATE 需要驗證和表徵的很大一部分矽晶片是應用於通訊系統,計算和路由系統中,這兩個“領域”之間最顯著的相似之處是需要密集和精細的電源系統,雖然有不同的目標:ATE 是輸送量和靈活性,電信和資料通訊系統則是總擁有成本(TCO)。

材料清單

目標:儘量減少材料清單。

配電材料清單直接受一個主要參量的影響:背板配電電壓。 配電損耗的簡單考量應該權衡所選擇的銅截面。 ATE 主要需要關注的問題是避免出現熱管理問題; 因此,配電損耗應保持在可以通過現有冷卻系統容易管理的範圍之內。 此外,如果儀器卡需要熱插拔,在每個卡上應安裝適當的 Oring(合路)器件。 下麵的清單提供了電信資料中心研究得出的一個指南。

背板或中間配電 DC 電壓:

  • 12V,最佳功率範圍高達 5kW
  • 48V,最佳功率範圍 4kW 至 80kW
  • 380V,最佳功率範圍大於 80kW

在 ATE 需要超過 20kW 時僅限於支持高度並行測試的 ATE,很顯然,48V 背板可能不再是最好的選擇。

運行成本、效率和耗損、熱管理

目標:通過控制配電耗損優化熱管理系統。

直到此時,我們都是把重點放在背板配電上。 雖然背板上的散熱管理通常不是很困難,但是控制儀器的卡電源系統可能是相當具有挑戰性的。 此外,儀器卡上的電源匯流排佔用了卡本身“寶貴的空間”。 因此,最合理的選擇是盡可能接近實際負載分配卡上的底板電壓,它可能是量測電路,或者是一個板上 DC-DC 轉換器。 很明顯,如果使用了一個低電壓背板 —— 例如 12V - PCB 上的銅不僅應該要大小合適,而且還要有適當的冷卻。

一個不太明顯的方面是很難準確地補償隨電流水准新增而下降的 DC(12R)和 AC(L·di/dt)。 設計人員可能需要特大型轉換器的電源傳送電路(powertrain),以及隨電源配電電壓降至低於 48V 而新增濾波和去耦網路。

運行成本、效率和損耗、熱管理

目標:實現測試卡設計和配寘的最高度靈活性。

儀器卡有不斷增加的負載範圍要供電。 因此,有精細元件的電源系統可為設計人員提供明顯的優勢。 一個有效的方法包括採用中間匯流排架構,其中的背板電壓被有效地降低到一個較低水準,然後“中間”匯流排電壓通過一個標準同步降壓負載點轉換器進行穩壓。

在靈活性範例中,一個設計的再用已成為不同電源統中利用標準化的一種常見選擇。 設計人員可以利用一組有效設計“提供和定制”穩壓器,為的是在電力方面符合特定負載,並將其放在盡可能接近負載本身的地方,以實現最大的動態效能。 穩壓器的集群將由一條中間匯流排來供電,並通過一個匯流排轉換器來維持。 雖然良好的設計做法將要求匯流排轉換器功率輸送量與下游穩壓器的需求匹配,但限制通常會出現在有效地分配“板上”中間匯流排的過程中。 在一個 12V 中間匯流排電壓下,即使只是 300W 的分配也意味著要傳送 25A,這對高密度的設計是一個挑戰。

正常配電損耗與配電電壓關係圖

圖 2:正常配電耗損與配電電壓的關係(恆定銅截面)。

可靠性和冗餘性

目標:通過可靠性和冗餘性設計實現最大程度的系統可用性。

配電網路是複雜設備、上電量測系統和被測設備的“脊髓”。 由於一個 ATE 的壽命通常是以數十年來衡量的,確認和控制關鍵元件的“平均故障間隔時間(MTBT)是非常必要的。這包括:

  • 適當的電力降額和熱降額:雖然降額通常被視為减少熱應力的一種手段,但高電流密度也可能造成故障機制。 PCB 走線的電子遷移就是一個例子。
  • 冗餘:危及機器可用性的關鍵元件的故障應該作出冗餘和可現場更換的規定。

可維護性和診斷遙測

目標:實觀最高水准的模組化,並提供整個系統生命週期的系統線上診斷功能。

背板配電方法本質上是高度靈活的,允許非關鍵負載(例如風扇)的熱插拔,在設備運行時可在現場更換。 不過,在配電網路的另一端也應該規劃同一水准的靈活性,以便容易對大容量電源系統進行操作。

診斷也已成為一個重要方面。 有必要迅速發現和隔離元件或子系統問題,以防止系統受到傳輸失敗的影響。 雖然在集中式電源架構的情况下幾乎是不可能的,但分佈式和分比式電源架構可為自動電源配電網絡診斷提供一種手段。 傳統上,分佈式電源架構採用了一種“裕量”科技,其遠程 DC - DC 轉換器是由一個預設定序列和一個 DC 或 AC 動態所獲得的專用迴響網路驗證來控制的。 現代電源組件和分比式電源架構提供了一個更簡單的數位介面,其監督控制實際上可以通過一個通用序列匯流排介面實时輪詢狀態資訊,通常是 12C 或 UART。

雜訊源與抗干擾

目標:盡最减少系統內的 EMC 和 EMI,去耦的配電網路可降低傳導和輻射干擾。

EMC 和 EMI 通常被認為是電源設計的“黑色魔術”。 不過,一些基本規則普遍適用。 首先,確定雜訊源; 第二,盡可能接近源頭地控制或過濾雜訊(假設不能完全避免雜訊)。 不幸的是,配電網路是分佈系統內傳導雜訊,以及機架周圍的輻射雜訊的一個很好的傳播途徑。 因此,極為重要的是實施適當的濾波,如果不是在個別 DC-DC 元件級別,至少是在每個儀器卡上,以通過背板來避免串擾。

一個特別大的問題是在背板上以及中間匯流排生成的低頻雜訊。 這是由於各個轉換器的輸入電流的相互作用引起的,然後出現了低頻差拍。 設計人員可以嘗試通過確保的所有開關電流分量能足够的限制在每個轉換器內來避免這個問題。

結論

配電網路設計是最先進測試系統的一個挑戰。 它存在一些權衡,需要仔細評估選擇的電源系統架構。 雖然來自 48V 背板的分佈式電源架構是今天的常見選擇,諸如來自 400VDC 配電的分比式電源等先進架構正變得越來越有價值,因為它們可以通過提供更高的效率和更高級別的精度來提高系統密度。 圖 3 顯示了一個針對 400VDC 配電負載點供電的標準兩級設計的實例:在左邊,一個前端模組包括兩個 400V 匯流排轉換器(在散熱片下有一個靠近所示曲別針的模組); 在上部,是一個多相穩壓模組(VRM),採用了經典的 12V 降壓轉換器方法。

Point-of-load standard solution example from 380V DC distribution image

圖 3:採用 380VDC 配電的負載點標準解決方案實例。 高電壓匯流排轉換器卡(左),單 400V 至 12V 匯流排轉換器晶片(中間,最接近曲別針)以及標準多相降壓轉換器(右上)。

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