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剖析電源管理能力多重輸出電源供應器
強化ATE系統彈性與電源供應利用率

【作者: Bob Zollo】   2006年09月04日 星期一

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今日許多裝置常見的配置方式為:需要一組中功率的電源以及多組低功率的電源,以便在測試時驅動該裝置。舉例來說,許多裝置需要高電流的3.3V或5V電源,以供應CPU及數位電路所需,同時還有其它的附屬電路需要非常低電流的+/-12V以及+/-24V電源來運作。(表一)列出了幾個例子。


ATE系統的設計人員通常會希望使用多重輸出的電源供應器來供應所需的直流電源,以測試如(表一)所列的DUT(待測裝置)。相較於使用個別的直流電源供應器,多重輸出的電源供應器可提供多項優點,如(表二)所述。


選用多重輸出的電源供應器時,ATE系統的設計人員需要決定每組電源供應輸出的大小,以符合DUT對直流電源的需求,這也意味著多重輸出的直流電源供應器應該是模組化的設計,可以讓設計人員挑選不同功率規格的電源模組,以合乎DUT個別的直流輸入需求。只要選對合適的模組,就可以配置出一部含有一或兩組中功率、以及多組低功率的多重輸出直流電源供應器。


但是如同表一所示,每個DUT裡面對電源輸入需求不同,因此要配置出一套最佳化的解決方案可能會有困難,因為並非每一家供應商提供的多重輸出電源供應器都有所需的每一種高功率和低功率模組,結果往往是ATE系統設計人員必須要選擇規格較高的低功率電源供應模組。


表一 需要多重直流電源輸入的裝置範例

裝置

主電源的需求

輔助電源的需求

PC 主機板

5V 、 18A 、 90W

12V 、 6A 、 72W

3.3V 、 14A 、 46W

-12V 、 0.3A 、 4W

-5V 、 0.3A 、 1.5W

5V 備用、 1.5A 、 7.5W

LCD 背光反流器( Backlight Inverter )

24V 、 12A 、 280W

有三組附屬電路;分別需要 5V 、 2A 、 10W

汽車的例子

 

 


表二 使用多重輸出電源供應器相對於使用個別的直流電源供應器的優點

ATE 系統設計人員追求的目標

使用個別的直流電源供應器時

使用多重輸出的電源供應器時

縮小體積

使用個別的電源供應器的體積會比較大,因為有一些組件是重複而多餘的,例如: 每 個輸出都有一個顯示幕、 每 個輸出都有一組使用者控制介面、以及 每 個輸出都有一組電腦介面等。

使用多重輸出電源供應器的體積比較小,因為這種電源供應器在單一機體中結合了多組的輸出,可以共用一個顯示幕、使用者控制介面、以及電腦介面。

簡化上架的方式

個別的電源供應器會需要個別的上架硬體,如果電源供應器的尺寸不一時,若沒有複雜的托架或沒有浪費一些機架空間的話,將很難將它們全部固鎖在機架上。

只需一個機體即可提供所有輸出的多重輸出電源供應器會比較容易固鎖在機架上。

可以控制電源開 啟 或關閉的順序

個別電源供應器的行為無法像單一部儀器一樣,若沒有透過複雜的軟體將很難進行同 步 的控制。控制順序的時序會因軟體以及 PC 時脈速度的不同而異。如果在出現錯誤時需要快速關閉電源的話, PC 會需要持續不斷地監測各個輸出,才能在偵測到其中一部電源供應器出現錯誤時,將其它的輸出都關閉。

多重輸出的電源供應器可以可靠又穩定地設定開 啟 或關閉輸出的順序,不會受到軟體時序的影響。當其中一組輸出發生錯誤時,這種電源供應器會立刻將同一部多重輸出儀器 內 的其它輸出關閉,不需要透過 PC 來監測和做出反應。


範例一:配置一套測試LCD背光反流器用的解決方案

讓我們來看一個例子:待測裝置是一個LCD的背光反流器,其主要的電源輸入需要280W的功率,而三組輔助電源輸入各需要10W的功率,因此總功率需求為310W。


ATE系統設計人員選擇使用模組式的多重輸出電源供應器。有三種功率規格的模組可供選擇:100W、200W和400W。有兩種電源主機可供選擇:較小的一種總共可以供應電源模組500W的功率,較大的一種則可以供應2000W的總功率。為了測試LCD背光反流器,ATE系統的設計人員選擇的配置組合為一個400W的模組以及三個100W的模組,加起來總共是700W的功率。因此需要使用2000W的主機,才能供應總共700W的模組功率。


雖然設計人員選出了可以滿足DUT電源需求的配置組合,但此解決方案卻有許多的缺點:


  • ●儘管DUT的需求只有330W,但ATE系統的設計人員卻被迫必須購買一款2000W的主機來供應總共700W的模組功率。


  • ●2000W的主機比500W的主機大,如此一來會增加ATE系統的體積。


  • ●2000W的主機需要額外的交流電源(會影響ATE系統內的交流電源分配,很可能需要使用另外一組高功率的AC主電源電路)。


  • ●2000W的主機會產生更多的熱度。


  • ●整套系統會比較昂貴,因為ATE系統的設計人員被迫購買了比實際需求多六倍以上的電源(使用2000W的主機來測試只需310W的DUT)。



有些電源供應器的廠商允許使用者配置的多重輸出電源供應器中,模組電源的總功率可以超過主機提供的功率。這些電源供應器的主機允許模組吸汲的總功率達到主機所能提供的最大功率,但是當模組輸出的總功率超過主機所能提供的功率時,電源供應器會在一段短時間內以超額的功率運作,但在此之後則會不受控制地自動關閉,這在ATE環境的運作上是不樂見的狀況。


透過電源管理所提供的較佳解決方案

N6700電源系統是專為ATE系統而設計的直流電源供應器,這套小巧、彈性又快速的電源系統係由1U高、四個插槽的主機和模組所組成的,共有三款主機以及二十款模組可供選擇。


表三 N6700超薄型模組式電源系統

主機

N6700B : 1 U 高、 4 插槽、共 400W 的總輸出功率

N 6701A : 1 U 高、 4 插槽、共 600W 的總輸出功率

N 6702A : 1 U 高、 4 插槽、共 1200W 的總輸出功率

模組

每 個模組會佔用一個插槽

N6730 系列 50W 基礎直流電源模組

N6740 系列 100W 基礎直流電源模組

N6770 系列 300W 基礎直流電源模組

N6750 系列 50W 和 100W 高效能自動範圍調整直流電源模組

N6760 系列 50W 和 100W 精確型直流電源模組


由(表三)可以看出, N6700非常適合ATE系統使用。N6700在1U的機架空間內可以提供四組(每組最大300W)的輸出,因此所佔用的機架空間較小,可以空出更多的空間給其它儀器使用,而且所提供的模組種類相當多,可以讓ATE系統的設計人員配置出真正符合DUT需求的解決方案。


範例二:N6700重新配置範例一所需的系統

待測裝置是一個LCD的背光反流器,其主要的電源輸入需要280W的功率,而3組輔助電源輸入各需要10W的功率,因此總功率需求為310W。ATE系統設計人員選擇使用超薄型模組式電源系統。有三種功率規格的模組可供選擇:50W、100W和300W。有三種電源主機可供選擇:400W、600W和1200W。為了測試該LCD背光反流器,設計人員選用的配置組合為一個300W的模組加上三個50W的模組,總共450W的功率。雖然模組的總功率為450W,但還是可以選用N6700B 400W的主機,這一點要歸功於電源管理的功能,如下所述。


主機中的韌體允許使用者將主機的電源分配給需要電源的模組使用,而將模組不需要用到的電源挪給需要的使用。因此在這個例子中,300W的模組會分配到整整300W的電源(用以測試280W的主要輸入),而使用者可以將剩下的三組輸出的功率限定在每組30W(用以測試10W的附屬電路)。好處如下:


  • ●較低功率的主機所需的交流電源比較少(相較於前一個例子中2000W的主機所需的交流電源)。


  • ●較低功率的主機所產生的熱也比較少(相較於前一個例子中2000W的主機所產生的熱度)。


  • ●整體的系統成本會比較低,這是因為ATE系統的設計人員可以充分運用主機的電源資源,不需被迫購買超過所需的電源(相較於前一個例子中,ATE系統的設計人員被迫必須購買2000W的主機來測試310W的DUT)。


  • ●因電源分配的功能是透過軟體控制的,所以N6700可以重新設定,依照不同的方式分配電源給不同的DUT使用。


  • ●如果在任何輸出上,DUT吸汲的電源比分配到的還要多的時候,該輸出就只會提供所限定的電源,但是主機本身以及其它輸出會繼續正常地運作,因此不會發生無預警、無法控制的主機關閉情形。



結語

ATE系統設計人員面臨了兩個互相抵觸之目標的挑戰:在提高ATE系統彈性的同時,也要降低ATE系統的成本。使用模組式的多重輸出電源供應器是降低系統成本的第一步,因為相較於使用多部單輸出的電源供應器,模組式的多重輸出電源供應器可以將電源供應器的體積以及上架的複雜度減到最小。韌體內含最新的電源分配功能的多重輸出電源供應器可以更加善用電源供應的資產,以進一步縮減電源供應器的成本和體積。最先進的電源供應產品可以提供含電源分配功能的韌體,讓ATE系統的設計人員進一步降低系統的成本,同時保有測試DUT所需的彈性。


延伸閱讀

由於積體電路的半導體技術進展神速,因此,系統設計者以及子 產 品都特別以輕、薄、短、小做為他們 產 品特色之一。 最近幾年來的趨勢是朝向效率高、重量輕、體積小的電源供應器來設計,因此,高頻率的交換式電源供應器就是唯一的解決之道。相關介紹請見「多重輸出之返馳式電源供應器」一文。

隨著功能整合度不斷增加,電路結構日益縮小,處理器核心電壓已開始降至 1V 以下,電流消耗也隨著操作速度變快而提高。製程技術的進步還需要負載點電源供應設計知識來配合, 80 和 90 年代所用的電源管理解決方案可能無法滿足今日高效能處理器的需求。你可在「 電源管理-高效能處理器的負載點電源供應設計技巧」一文中得到進一步的介紹。

使用多組電源已成為數位元件設計的常見技巧,而且這種方法也不再侷限於高階應用, FPGA 、 DSP 、 RISC 處理器和通訊元件的設計人員也開始採用省電的「多重 Vdd 」架構,讓核心功能得以在較低電壓(功耗較少)下工作,至於 3.3 至 5 V 的作業則只保留給設計中絕對必要的部份,例如外部界面和 I/O 。 在「 電源順序和追蹤解決方案的設計與選擇」一文為你做了相關的評析。

市場動態

Microchip ,日前宣佈推出全新十六位元 dsPIC 數位訊號控制器( DSC )系列解決方案,適用於一般多迴路切換式電源供應 ( Switch mode power supply; SMPS )及其他功率轉換應用。 相關介紹請見「Microchip 新型數位訊號控制器驅動新一代開關式電源供應產品 」一文。

1998 年我國交換式電源供應器( Switching Power Supply ; SPS )全球總生 產值 (包括台灣和海外地區)為新台幣 664 億元,成長率為 18.6 %,這和 1997 年相比較,我國 SPS 產值 成長率明顯下滑 。 你可在「 我國交換式電源供應器產業競爭分析」一文中得到進一步的介紹。

Agilent N6700 半高模組化電源系統簡化測試系統組合、程式設計、除錯和操作。正是彈性、小型和快速命令處理時間,使得 ATE 和產品測試環境變得理想。 你可在「 ATE 應用的小型、彈性和快速電源供應器 」一文中得到進一步的介紹。

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