- BRIC模塊的電源管理和功耗技術(shù)討論
- 采用高可靠性的Ruthenium鍍金磁簧繼電器
- 限制觸點(diǎn)閉合的數(shù)量
Pickering Interfaces公司的BRIC模塊在密度很高的格局內(nèi)安放了很多繼電器。BRIC模塊只用到了PXI底板上左手邊的插槽，而為了給模塊進(jìn)行供電，可以使用在底板上排列比較緊湊的右手邊的其他空余插槽，并且只消耗一個(gè)活動(dòng)插槽的功率（如圖1所示）。
圖1 BRIC模塊在8槽PXI底板中的位置
每個(gè)繼電器都由一個(gè)線圈控制，而為了連接線圈需要電源激勵(lì)，在電源斷開的情況下，繼電器的默認(rèn)狀態(tài)是“斷開連接的”。當(dāng)越來越多的繼電器閉合后，BRIC的功耗也就越來越高。這篇文檔提供了如何對(duì)BRIC模塊的最壞的情況進(jìn)行估計(jì)，而這種估計(jì)是由BRIC模塊在很真實(shí)的測試環(huán)境下的功耗得出的。這種估計(jì)表明，BRIC模塊的功耗比很多其它PXI模塊消耗的功率都要小，并且不用過分強(qiáng)調(diào)底板電源。
這篇文檔中還解釋了BRIC模塊功率處理能力的局限性，以及當(dāng)對(duì)高電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)候，如何估計(jì)功率的損耗。
PXI底板電源說明
底板能夠向模塊提供的電流能力是根據(jù)2.1版本中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義的。BRIC只能采用+5V的電源供電，而不考慮其它+12V，-12V和+3.3V的電源。許多PXI模塊的功耗都要比BRIC模塊的功耗大，這主要是因?yàn)?，它們需要采用多個(gè)電源進(jìn)行供電。
供電電源的要求是，在+5V電源供電下，能夠?yàn)?號(hào)插槽位置中的每一個(gè)模塊提供2A的電流，而提供更高的電流給底板。也就是說，對(duì)于一個(gè)8槽底板，+5V電源提供給2號(hào)插槽的電流必須為14A。由于1號(hào)插槽是控制器所占用的，需要的電流比典型的模塊要高，因此，1號(hào)插槽中要求更高的電流供應(yīng)。
另外，底板還需要對(duì)其它任何一個(gè)插槽提供6A的電流。
BRIC模塊占用了底板中的4個(gè)或8個(gè)插槽，但是實(shí)際只有一個(gè)插槽要用到電源。因此，必須保證對(duì)每個(gè)BRIC模塊提供6A的電流，不論BRIC模塊的大小。由于任何一個(gè)BRIC模塊消耗的底板上的功率都不會(huì)大于30W，因此就決定了BRIC模塊和最小的底板配置的兼容性。
BRIC的意義
由于每個(gè)BRIC模塊都包含了很多繼電器，因此，如果所有的繼電器都需要供電的話，就會(huì)超出底板電源多能提供的電源能力了。但是由于所有X軸和Y軸的接口都可能連接在一起，因此，上面提到的情況并不是真實(shí)的測試環(huán)境下產(chǎn)生的，而且很明顯，這種狀態(tài)在測試中并沒有什么用處。
如果想要了解會(huì)遇到的功率損耗最糟糕的情況的話，首先要了解在這種情況下需要閉合的繼電器數(shù)量。在相關(guān)的文檔中，提到過BRIC的典型應(yīng)用是將所有的測試裝置輸入點(diǎn)和待測設(shè)備輸入點(diǎn)全部連接到X軸上。Y軸只是在X軸上兩點(diǎn)間簡單的提供連接線。在許多應(yīng)用中，這樣就意味著，每個(gè)BRIC模塊只需要兩倍Y軸接頭數(shù)量的繼電器閉合即可，一半用于輸入，一半用于輸出。有時(shí)，也會(huì)有額外的隔離繼電器會(huì)增加需要電源的繼電器數(shù)量。
但是，上述情況好像并不是會(huì)遇到的最糟糕的情況。要求最苛刻的應(yīng)用用戶需要測試不同接入點(diǎn)之間的短路問題。在這種情況下，被測設(shè)備和X軸上的一點(diǎn)進(jìn)行連接的，而X軸上這點(diǎn)通過X，Y線又和一個(gè)萬用表連接。所有可能發(fā)生短路的線路都是由通過X軸接頭經(jīng)由Y軸接口最終和另一端的萬用表連接到一起。然后，用萬用表測試連續(xù)性。
這里給用戶提出一個(gè)簡單的經(jīng)驗(yàn)法則，那就是需要閉合的最大的繼電器數(shù)量就是矩陣中X軸上所有點(diǎn)的數(shù)量。并且還需要在這個(gè)數(shù)量上加上需要閉合的隔離繼電器的數(shù)量，當(dāng)然，這個(gè)數(shù)量要遠(yuǎn)小于X軸上接口的數(shù)量，因此經(jīng)?？梢院雎圆挥?jì)。
在實(shí)際的應(yīng)用中，并不需要同時(shí)對(duì)所有的X軸上的點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)性檢查，因?yàn)椋恍軸上的點(diǎn)會(huì)和測試裝置連接，也有些點(diǎn)不需要考慮連續(xù)性問題，上述所說到的要求是比較苛刻的了。而且，可以將測試分成不同的階段進(jìn)行，這樣也可以限制繼電器對(duì)電流的需求。
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繼電器功耗
BRIC模塊針對(duì)不同的模塊功能開發(fā)了多種繼電器。每種模塊類型優(yōu)化了不同的性能和密度要求。所有的BRIC模塊都采用了高可靠性的Ruthenium鍍金磁簧繼電器。
不同類型的繼電器功耗列表如下。
BRIC模塊和繼電器類型的功率（電流）消耗表
利用以上的信息，現(xiàn)在可以對(duì)BRIC模塊的功率（電流）消耗進(jìn)行估計(jì)了。
BRIC PXI功耗
每個(gè)BRIC模塊都有一個(gè)PXI接口和其它一些部件，這些部件的功耗和繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈需要的功率就沒有什么直接的關(guān)系了。由于所有的BRIC模塊采用的都是相同的approach，因此所有模塊中這方面的消耗往往是一樣的，不需要考慮模塊中應(yīng)用到的繼電器的數(shù)量。典型消耗的功率為，+5V電源供電，0.75W（150mA）。
對(duì)于這樣的功率消耗，用戶需要加入驅(qū)動(dòng)繼電器線圈的功率。
限制觸點(diǎn)閉合的數(shù)量
當(dāng)不小心增加了過多的觸點(diǎn)閉合數(shù)量的話，很有可能會(huì)導(dǎo)致過多的電流下拉。
為了避免這種情況的出現(xiàn)，BRIC的軟件驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)限制閉合的數(shù)量。然而，一些用戶會(huì)采用他們自己的軟件工具對(duì)BRIC進(jìn)行操作，因此，每個(gè)BRIC模塊還需要重新安裝一個(gè)電流額定值為2A的保險(xiǎn)絲。這樣不但可以保證模塊不會(huì)對(duì)PXI底板造成任何損害，而且允許采用高于9W的繼電器功率。這樣安排的話對(duì)大部分應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。
較高電流信號(hào)轉(zhuǎn)換
BRIC模塊中還有一個(gè)功率的消耗源，但是這種消耗不是來自PXI底板的電源。如果BRIC模塊轉(zhuǎn)換相對(duì)較高的電流信號(hào)的話，開關(guān)上的接觸電阻就引起繼電器消耗額外的功率，該部分的功耗是由線圈電阻溫度的身高而引起的。此外，在繼電器和底板連接器之間的互連線纜也會(huì)造成功率損耗。
了解BRIC模塊中開關(guān)的額定值
下表中所示的是BRIC模塊中不同的開關(guān)類型的不同額定值
開關(guān)的載流值是指進(jìn)行冷轉(zhuǎn)換（沒有連接負(fù)責(zé)電流時(shí)的轉(zhuǎn)換）時(shí)，開關(guān)所能承受的最大的電流值。當(dāng)電流源連接時(shí)，觸電的打開或閉合時(shí)的電流值，要大于開關(guān)的額定電流值。在沒有引入額外的接觸磨損時(shí)，觸點(diǎn)連接和斷開時(shí)需要的最大電壓值即是開關(guān)的額定電壓值，BRIC模塊中的值為150VDC或100VDC。
額定功率是當(dāng)開關(guān)打開或閉合時(shí)的電流和電壓乘積的最大值。對(duì)于低電流，高電壓電流源來說，限制因素是額定電壓。而對(duì)于高電流應(yīng)用來說，限制因素則為額定電流。如果電流和電壓都為中間值時(shí)，限制因素是額定功率。比如，在40-562的應(yīng)用中要求24VDC的電壓，那么觸點(diǎn)的電流應(yīng)當(dāng)限制在0.83A。超過這個(gè)值就可能引起過量電弧，進(jìn)而造成開關(guān)接觸材料的腐蝕。
如果開關(guān)使用在冷轉(zhuǎn)換的環(huán)境中時(shí)，只需要考慮開關(guān)負(fù)載的電流和電壓額定值。開關(guān)可以偶爾在較高的額定電流下工作，但是這樣會(huì)減少開關(guān)的使用壽命。
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影響開關(guān)的因素
當(dāng)電流流經(jīng)開關(guān)時(shí)，需要考慮的熱原則就是負(fù)載電流在繼電器上產(chǎn)生的加熱影響。
BRIC模塊是由大量高品質(zhì)的磁簧繼電器構(gòu)成的，這些磁簧繼電器提供了遠(yuǎn)高于機(jī)電部件的機(jī)械可靠性特征。因?yàn)橄馚RIC這樣的系統(tǒng)是由數(shù)量很多的繼電器構(gòu)成的，因此需要重點(diǎn)考慮的是，在使用繼電器時(shí)就會(huì)使系統(tǒng)很不穩(wěn)定以至于不能提供較長的使用壽命。磁簧繼電器的活動(dòng)部件很少，因此它們的可靠性是ATE系統(tǒng)工藝上很好的選擇。
由于磁簧繼電器的結(jié)構(gòu)，決定了磁簧繼電器的接觸電阻要大于同等機(jī)電繼電器的電阻值。對(duì)于應(yīng)用在BRIC中的磁簧繼電器，最大的開關(guān)接觸電阻為120MΩ（其中不包括兩相40-562系列，該系列為150 MΩ）。
BRIC模塊中還有一個(gè)限制負(fù)載電流的因素，就是磁簧繼電器簧片的溫度升高。該溫升有一些因素共同決定，線圈變熱的作用，負(fù)載電流的變熱作用以及影響最大的開關(guān)外殼的熱性能。BRIC模塊中繼電器緊湊的排列限制了繼電器的散熱功能，從而導(dǎo)致了磁黃簧片的溫升。
如果溫升過高的話，就會(huì)使磁簧簧片失去磁性，從而不能正確的進(jìn)行工作?？梢詫⒂|點(diǎn)焊接在一起，但是這樣經(jīng)常會(huì)使開關(guān)在打開觸點(diǎn)的時(shí)候出錯(cuò)。
40-560系列和40-561系列BRIC模塊的最大負(fù)載電流是0.5A，接觸電阻是120 MΩ，開關(guān)觸點(diǎn)閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生30mW的功耗。這個(gè)結(jié)果要好于線圈產(chǎn)生的65mW到100mW的功耗。一些額外的溫升也是很明顯的，但是并不是至關(guān)重要的。額外的溫度作用影響不大。
40-562系列BRIC模塊的額定負(fù)載電流是1.2A，開關(guān)觸點(diǎn)上的功耗較高，對(duì)于單相的來說是173mW。這里額外的功率損耗要多于線圈上的功耗。
“最糟糕的情況”是40-562系列中的兩相BRIC版本，在這個(gè)版本中原則上兩個(gè)觸點(diǎn)可以分別負(fù)載1.2A的電流。這種情況下，每個(gè)觸點(diǎn)消耗的功率的最大值為216mW，加上線圈的功耗（66.7mW）。整個(gè)封裝的功率損耗將近500mW。這個(gè)熱量需要從繼電器中導(dǎo)出。為此，專門設(shè)計(jì)了PXI底板上的強(qiáng)制空氣冷卻以及BRIC外殼上的通風(fēng)系統(tǒng)解決這個(gè)問題。即使這樣，BRIC模塊功率的損耗甚至是最糟糕的情況下的功耗，也依然低于大多數(shù)高速數(shù)字，模擬半導(dǎo)體設(shè)備。
在靜態(tài)狀態(tài)下對(duì)開關(guān)進(jìn)行了測試。但是在多數(shù)情況下，矩陣不會(huì)以這種靜態(tài)的方式進(jìn)行應(yīng)用，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)會(huì)不斷的設(shè)置為不同的狀態(tài)，因此，矩陣一般情況下會(huì)工作在比較良好的工作環(huán)境下，而不是工作在最糟糕的情況下。
BRIC矩陣兩個(gè)X觸點(diǎn)之間的總的通道電阻由另外的部件構(gòu)成，這些部件又會(huì)增加BRIC系統(tǒng)的功率損耗。首先兩個(gè)獨(dú)立的繼電器通電形成一個(gè)回路，這些繼電器物理位置上是分開的，并且不在一個(gè)封裝內(nèi)。熱量(功率)損失位于該設(shè)計(jì)的兩個(gè)不同點(diǎn)上。另一個(gè)損失的源頭是，PCB板上的布線電阻會(huì)增加設(shè)計(jì)板上的交叉點(diǎn)上的溫升作用。子板卡和底板之間連接器的接觸電阻也是功率損失的一個(gè)原因，但是，它相對(duì)于其它原因產(chǎn)生的功率損耗要小得多。
上述所有案例中，BRIC在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)的熱量損失都僅僅和負(fù)載電流相關(guān)，同轉(zhuǎn)換模塊的“功率“無關(guān)。如果負(fù)載電流低于模塊所能承受的額定電流，那么熱量（功率）損失就會(huì)降低很多（可以使當(dāng)前的功率損耗減小一半）。
BRIC模塊設(shè)計(jì)，避免了由自身產(chǎn)生的熱量的最壞影響，而這些影響包括線圈驅(qū)動(dòng)和觸點(diǎn)的功率損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，BRIC模塊會(huì)在比較好的環(huán)境下工作。
總結(jié)
BRIC模塊在很多種溫度變化的環(huán)境下進(jìn)行過測試，而不僅僅是對(duì)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境下進(jìn)行測試
BRIC模塊的使用方式，是在任何時(shí)候都只需要一定數(shù)量的繼電器閉合
BRIC模塊的功耗一般情況下要遠(yuǎn)低于PXI底板上的其它模塊
提供的軟件驅(qū)動(dòng)器可以在任何情況下控制繼電器的閉合數(shù)量，從而控制電流消耗
每個(gè)BRIC模塊都包含了可重置的保險(xiǎn)絲，該保險(xiǎn)絲可以用來保護(hù)底板在過多觸點(diǎn)閉合時(shí)發(fā)生的誤操作下不受到損壞
