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剖析电源管理能力多重输出电源供应器
强化ATE系统弹性与电源供应利用率

【作者: Bob Zollo】2006年09月04日 星期一

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今日许多装置常见的配置方式为:需要一组中功率的电源以及多组低功率的电源,以便在测试时驱动该装置。举例来说,许多装置需要高电流的3.3V或5V电源,以供应CPU及数位电路所需,同时还有其它的附属电路需要非常低电流的+/-12V以及+/-24V电源来运作。 (表一)列出了几个例子。


ATE系统的设计人员通常会希望使用多重输出的电源供应器来供应所需的直流电源,以测试如(表一)所列的DUT(待测装置)。相较于使用个别的直流电源供应器,多重输出的电源供应器可提供多项优点,如(表二)所述。


选用多重输出的电源供应器时,ATE系统的设计人员需要决定每组电源供应输出的大小,以符合DUT对直流电源的需求,这也意味着多重输出的直流电源供应器应该是模组化的设计,可以让设计人员挑选不同功率规格的电源模组,以合乎DUT个别的直流输入需求。只要选对合适的模组,就可以配置出一部含有一或两组中功率、以及多组低功率的多重输出直流电源供应器。


但是如同表一所示,每个DUT里面对电源输入需求不同,因此要配置出一套最佳化的解决方案可能会有困难,因为并非每一家供应商提供的多重输出电源供应器都有所需的每一种高功率和低功率模组,结果往往是ATE系统设计人员必须要选择规格较高的低功率电源供应模组。


表一 需要多重直流电源输入的装置范例

装置

主电源的需求

辅助电源的需求

PC 主机板

5V 、 18A 、 90W

12V 、 6A 、 72W

3.3V 、 14A 、 46W

-12V 、 0.3A 、 4W

-5V 、 0.3A 、 1.5W

5V 备用、 1.5A 、 7.5W

LCD 背光反流器( Backlight Inverter )

24V 、 12A 、 280W

有三组附属电路;分别需要 5V 、 2A 、 10W

汽车的例子

 

 


表二 使用多重输出电源供应器相对于使用个别的直流电源供应器的优点

ATE 系统设计人员追求的目标

使用个别的直流电源供应器时

使用多重输出的电源供应器时

缩小体积

使用个别的电源供应器的体积会比较大,因为有一些组件是重复而多余的,例如: 每个输出都有一个显示幕、 每个输出都有一组使用者控制介面、以及每个输出都有一组电脑介面等。

使用多重输出电源供应器的体积比较小,因为这种电源供应器在单一机体中结合了多组的输出,可以共用一个显示幕、使用者控制介面、以及电脑介面。

简化上架的方式

个别的电源供应器会需要个别的上架硬体,如果电源供应器的尺寸不一时,若没有复杂的托架或没有浪费一些机架空间的话,将很难将它们全部固锁在机架上。

只需一个机体即可提供所有输入的多重输出电源供应器会比较容易固锁在机架上。

可以控制电源开 启 或关闭的顺序

个别电源供应器的行为无法像单一部仪器一样,若没有透过复杂的软体将很难进行同 步 的控制。控制顺序的时序会因软体以及 PC 时脉速度的不同而异。如果在出现错误时需要快速关闭电源的话, PC 会需要持续不断地监测各个输出,才能在侦测到其中一部电源供应器出现错误时,将其它的输出都关闭。

多重输出的电源供应器可以可靠又稳定地设定开 启 或关闭输出的顺序,不会受到软体时序的影响。当其中一组输出发生错误时,这种电源供应器会立刻将同一部多重输出仪器 内 的其它输出关闭,不需要透过 PC 来监测和做出反应。


范例一:配置一套测试LCD背光反流器用的解决方案

让我们来看一个例子:待测装置是一个LCD的背光反流器,其主要的电源输入需要280W的功率,而三组辅助电源输入各需要10W的功率,因此总功率需求为310W。


ATE系统设计人员选择使用模组式的多重输出电源供应器。有三种功率规格的模组可供选择:100W、200W和400W。有两种电源主机可供选择:较小的一种总共可以供应电源模组500W的功率,较大的一种则可以供应2000W的总功率。为了测试LCD背光反流器,ATE系统的设计人员选择的配置组合为一个400W的模组以及三个100W的模组,加起来总共是700W的功率。因此需要使用2000W的主机,才能供应总共700W的模组功率。


虽然设计人员选出了可以满足DUT电源需求的配置组合,但此解决方案却有许多的缺点:


  • ●尽管DUT的需求只有330W,但ATE系统的设计人员却被迫必须购买一款2000W的主机来供应总共700W的模组功率。


  • ●2000W的主机比500W的主机大,如此一来会增加ATE系统的体积。


  • ●2000W的主机需要额外的交流电源(会影响ATE系统内的交流电源分配,很可能需要使用另外一组高功率的AC主电源电路)。


  • ●2000W的主机会产生更多的热度。


  • ●整套系统会比较昂贵,因为ATE系统的设计人员被迫购买了比实际需求多六倍以上的电源(使用2000W的主机来测试只需310W的DUT)。



有些电源供应器的厂商允许使用者配置的多重输出电源供应器中,模组电源的总功率可以超过主机提供的功率。这些电源供应器的主机允许模组吸汲的总功率达到主机所能提供的最大功率,但是当模组输出的总功率超过主机所能提供的功率时,电源供应器会在一段短时间内以超额的功率运作,但在此之后则会不受控制地自动关闭,这在ATE环境的运作上是不乐见的状况。


透过电源管理所提供的较佳解决方案

N6700电源系统是专为ATE系统而设计的直流电源供应器,这套小巧、弹性又快速的电源系统系由1U高、四个插槽的主机和模组所组成的,共有三款主机以及二十款模组可供选择。


表三 N6700超薄型模组式电源系统

主机

N6700B : 1 U 高、 4 插槽、共 400W 的总输出功率

N 6701A : 1 U 高、 4 插槽、共 600W 的总输出功率

N 6702A : 1 U 高、 4 插槽、共 1200W 的总输出功率

模组

每 个模组会占用一个插槽

N6730 系列 50W 基础直流电源模组

N6740 系列 100W 基础直流电源模组

N6770 系列 300W 基础直流电源模组

N6750 系列 50W 和 100W 高效能自动范围调整直流电源模组

N6760 系列 50W 和 100W 精确型直流电源模组


由(表三)可以看出, N6700非常适合ATE系统使用。 N6700在1U的机架空间内可以提供四组(每组最大300W)的输出,因此所占用的机架空间较小,可以空出更多的空间给其它仪器使用,而且所提供的模组种类相当多,可以让ATE系统的设计人员配置出真正符合DUT需求的解决方案。


范例二:N6700重新配置范例一所需的系统

待测装置是一个LCD的背光反流器,其主要的电源输入需要280W的功率,而3组辅助电源输入各需要10W的功率,因此总功率需求为310W。 ATE系统设计人员选择使用超薄型模组式电源系统。有三种功率规格的模组可供选择:50W、100W和300W。有三种电源主机可供选择:400W、600W和1200W。为了测试该LCD背光反流器,设计人员选用的配置组合为一个300W的模组加上三个50W的模组,总共450W的功率。虽然模组的总功率为450W,但还是可以选用N6700B 400W的主机,这一点要归功于电源管理的功能,如下所述。


主机中的韧体允许使用者将主机的电源分配给需要电源的模组使用,而将模组不需要用到的电源挪给需要的使用。因此在这个例子中,300W的模组会分配到整整300W的电源(用以测试280W的主要输入),而使用者可以将剩下的三组输出的功率限定在每组30W(用以测试10W的附属电路)。好处如下:


  • ●较低功率的主机所需的交流电源比较少(相较于前一个例子中2000W的主机所需的交流电源)。


  • ●较低功率的主机所产生的热也比较少(相较于前一个例子中2000W的主机所产生的热度)。


  • ●整体的系统成本会比较低,这是因为ATE系统的设计人员可以充分运用主机的电源资源,不需被迫购买超过所需的电源(相较于前一个例子中,ATE系统的设计人员被迫必须购买2000W的主机来测试310W的DUT)。


  • ●因电源分配的功能是透过软体控制的,所以N6700可以重新设定,依照不同的方式分配电源给不同的DUT使用。


  • ●如果在任何输出上,DUT吸汲的电源比分配到的还要多的时候,该输出就只会提供所限定的电源,但是主机本身以及其它输出会继续正常地运作,因此不会发生无预警、无法控制的主机关闭情形。



结语

ATE系统设计人员面临了两个互相抵触之目标的挑战:在提高ATE系统弹性的同时,也要降低ATE系统的成本。使用模组式的多重输出电源供应器是降低系统成本的第一步,因为相较于使用多部单输出的电源供应器,模组式的多重输出电源供应器可以将电源供应器的体积以及上架的复杂度减到最小。韧体内含最新的电源分配功能的多重输出电源供应器可以更加善用电源供应的资产,以进一步缩减电源供应器的成本和体积。最先进的电源供应产品可以提供含电源分配功能的韧体,让ATE系统的设计人员进一步降低系统的成本,同时保有测试DUT所需的弹性。


延 伸 阅 读

由于积体电路的半导体技术进展神速,因此,系统设计者以及子 产 品都特别以轻、薄、短、小做为他们 产 品特色之一。最近几年来的趋势是朝向效率高、重量轻、体积小的电源供应器来设计,因此,高频率的交换式电源供应器就是唯一的解决之道。相关介绍请见「多重输出之返驰式电源供应器」一文。

随着功能整合度不断增加,电路结构日益缩小,处理器核心电压已开始降至 1V 以下,电流消耗也随着操作速度变快而提高。制程技术的进步还需要负载点电源供应设计知识来配合, 80 和 90 年代所用的电源管理解决方案可能无法满足今日高效能处理器的需求。你可在「 电源管理-高效能处理器的负载点电源供应设计技巧」一文中得到进一步的介绍。

使用多组电源已成为数位元件设计的常见技巧,而且这种方法也不再局限于高阶应用, FPGA 、 DSP 、 RISC 处理器和通讯元件的设计人员也开始采用省电的「多重Vdd 」架构,让核心功能得以在较低电压(功耗较少)下工作,至于3.3 至5 V 的作业则只保留给设计中绝对必要的部份,例如外部界面和I/O 。 在「 电源顺序和追踪解决方案的设计与选择」一文为你做了相关的评析。

市场动态

Microchip ,日前宣布推出全新十六位元 dsPIC 数位讯号控制器( DSC )系列解决方案,适用于一般多回路切换式电源供应 ( Switch mode power supply; SMPS )及其他功率转换应用。 相关介绍请见「Microchip 新型数位讯号控制器驱动新一代开关式电源供应产品 」一文。

1998 年我国交换式电源供应器( Switching Power Supply ; SPS )全球总生产值(包括台湾和海外地区)为新台币664 亿元,成长​​率为18.6 %,这和1997 年相比较,我国SPS 产值成长率明显下滑。 你可在「 我国交换式电源供应器产业竞争分析」一文中得到进一步的介绍。

Agilent N6700 半高模组化电源系统简化测试系统组合、程式设计、除错和操作。正是弹性、小型和快速命令处理时间,使得 ATE 和产品测试环境变得理想。 你可在「 ATE 应用的小型、弹性和快速电源供应器 」一文中得到进一步的介绍。

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