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自動化測試系統(tǒng)電源規(guī)劃攻略
2024-05-07
就像使用電腦之前需接通電源一樣，自動化測試系統(tǒng)的電源選擇也是首當(dāng)其沖的問題，只不是這個問題更復(fù)雜。
比如，應(yīng)考慮地理位置因素，因為不同國家或地區(qū)的公共電網(wǎng)所提供的線路功率有所不同。在電源布局和設(shè)備選型方面，有一些實踐經(jīng)驗，例如為系統(tǒng)接入電源時增加約20%的安全緩沖量，以應(yīng)對用電量大的時段和測試系統(tǒng)未來的擴展需求。
還需要考慮其他因素，如電磁干擾或線路濾波器、功率預(yù)算、配電單元、電源狀態(tài)監(jiān)測等。
一、為系統(tǒng)接入電源
為ATE系統(tǒng)接入電源的最佳做法是使用電源輸入面板或電源進線面板。這樣可以將內(nèi)部電源接線與主電壓的施加點隔離開來。使用電源輸入面板，可以為測試系統(tǒng)配備合適的電源連接器，即額定電壓和電流能夠滿足系統(tǒng)供電需求的電源連接器。
NI電源輸入面板支持多種連接器類型和額定功率，可滿足各種電源要求和地理位置要求。圖1給出了電源面板連接器的示例。優(yōu)質(zhì)的電源面板還應(yīng)內(nèi)置電路保護(包括斷路器和保險絲)，以保護系統(tǒng)免受電源浪涌或選用電源不當(dāng)所帶來的損害。更高級的電源面板還會內(nèi)置電磁干擾(EMI)濾波器、浪涌抑制器以及用于將信號傳遞到系統(tǒng)的其他連接功能。
圖1.電源布局包括測試系統(tǒng)中的所有設(shè)備，并呈現(xiàn)從電源到測試系統(tǒng)再到最終用電設(shè)備的功率流。
圖2.電源輸入面板提供將電源接入系統(tǒng)所需的連接功能。電源輸入面板可以采用多種標(biāo)準(zhǔn)電源連接器類型中的一種，并且優(yōu)質(zhì)的電源面板還具備濾波或急停開關(guān)繼電器等附加功能。
二、地理位置因素——不同國家的公共電網(wǎng)所提供的線路功率不同
為測試系統(tǒng)選擇電源面板時，測試儀或測試設(shè)備的地理位置是需要重點關(guān)注的一個細(xì)節(jié)。此外，在規(guī)劃新的測試系統(tǒng)時，還應(yīng)考慮電源標(biāo)準(zhǔn)和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、安全要求以及部署難易程度，這些因素都會受到地理位置的影響。
電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
不同國家或地區(qū)的公共電網(wǎng)所提供的線路功率有所不同。世界各個國家或地區(qū)均針對其電網(wǎng)中的RMS電壓、交流電頻率、連接器和電流范圍制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
公共電網(wǎng)具有以下幾種電源配置：
1.單相電源由一根用于傳導(dǎo)交流電的火線和一根零線組成。這種線路的電壓一般從100 V到240 V不等。例如，日本的線路電壓為100 V，而輸送電壓在220 V和240 V 之間。美國和加拿大公共電網(wǎng)的輸送電壓為110 V到120 V。
2.兩相電源也稱為分相電源，由兩根火線和一根零線組成，兩根火線以給定正負(fù)偏移電壓供電。在美國，兩相電源通常為120 V，兩根火線之間的相位差為180度。由于兩根火線分別傳輸120 V和-120 V的電壓，可以分別將兩根火線與零線搭配使用，形成兩個120 V的單相電源，也可以使用兩根火線，形成一個240 V的單相電源。
3.三相電源由三根火線和一根零線組成，三根火線相互之間的相位差為120度。美國大多數(shù)建筑使用208 Y/120 V 電源，通過三根火線傳導(dǎo)120V電壓，電源電路輸出恒定，為208 V。許多工業(yè)建筑使用480 Y/277 V，可提供大型機械所需的480 V電壓。
圖3.如要將測試系統(tǒng)部署在多個國家或地區(qū)，就需要靈活地進行系統(tǒng)設(shè)計。在開發(fā)這類測試系統(tǒng)時，務(wù)必要事先考慮相關(guān)國家或地區(qū)的電源標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證。
全球部署
測試系統(tǒng)的設(shè)計和部署地點往往不同，甚至涉及多個地理位置。將單個系統(tǒng)部署在多個地理位置會為系統(tǒng)引入一系列新的要求。將系統(tǒng)部署到馬來西亞與將系統(tǒng)部署到研發(fā)地的工廠甚至是研發(fā)機構(gòu)所在大樓是截然不同的。
例如，在底特律的一家研發(fā)機構(gòu)開發(fā)一款汽車引擎控制單元測試系統(tǒng)，但卻要將其部署在墨西哥的工廠。在設(shè)計該系統(tǒng)時應(yīng)考慮墨西哥的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量，并在系統(tǒng)發(fā)運之前確認(rèn)系統(tǒng)滿足在墨西哥部署所需的所有安全和監(jiān)管認(rèn)證。設(shè)計在全球部署的測試系統(tǒng)時，需要考慮以下事項：
1.電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和配置
2.電網(wǎng)質(zhì)量和可靠性
3.材料合規(guī)性，如是否符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)
4.能源合規(guī)性，如是否CE、PSE或KC認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
5.貿(mào)易合規(guī)性和進出口法規(guī)
三、電磁干擾因素——考慮EMI和線路濾波器
電網(wǎng)承載的高能信號通常會發(fā)射電磁噪聲。電源線產(chǎn)生的大多數(shù)噪聲相對一致，可以提前進行相關(guān)規(guī)劃。但是，世界上沒有完美的電網(wǎng)，電源信號中很可能會存在一些非標(biāo)準(zhǔn)噪聲。非標(biāo)準(zhǔn)噪聲可能會影響系統(tǒng)中的儀器所進行的測量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)違反認(rèn)證要求。
為了保護測試系統(tǒng)免受來自于輸電線路的意外噪聲源的影響，最常用的方法是使用EMI和線路濾波器。線路濾波器必須在一定電壓和電流下工作，并且濾波的信號也有一定的頻率范圍。例如，線路濾波器的最大電壓和電流可以為250 V、10 A，工作頻率范圍為150 kHz至1 MHz。確保根據(jù)測試系統(tǒng)的功率選擇適合的線路濾波器來濾除不需要的噪聲頻率。NI電源輸入面板配有EMI/線路濾波器，可為敏感的測量設(shè)備提供保護。
圖4.斷路器和線路/EMI濾波器對于保護測試系統(tǒng)中的設(shè)備以及確保儀器正常運行和精準(zhǔn)測量至關(guān)重要。圖中給出了電源輸入面板的低功率、中功率和高功率配置示例。
四、功率預(yù)算，優(yōu)化功率分配
功率預(yù)算是測試系統(tǒng)資源和組件規(guī)劃過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。任一給定設(shè)備必須能夠在正確的電壓下獲得適量的電流。功率預(yù)算必須針對整個系統(tǒng)以及系統(tǒng)內(nèi)的每個配電點執(zhí)行。在通過計算確定所需的功率量后，可以對這些計算出的值應(yīng)用一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，從而優(yōu)化測試系統(tǒng)中的功率分配。
系統(tǒng)功率預(yù)算
在確定系統(tǒng)功率預(yù)算時，首先需要確定測試系統(tǒng)中所有設(shè)備的最大功率需求。需求總和中應(yīng)包含測試系統(tǒng)中所有組件的預(yù)期指標(biāo)，包括電壓、電流和功率瓦數(shù)。在許多情況下，功率預(yù)算中最重要的指標(biāo)是電流。由于系統(tǒng)中的給定傳輸線路只能流過一定量的電流，因此通常必須使用配電單元(PDU)仔細(xì)分配在整個系統(tǒng)中的電流。
給定設(shè)備的功耗通常在用戶手冊中寫明，有時還會涉及不同條件下的多種功率需求。在某些情況下，設(shè)備標(biāo)注了典型功耗和最大功耗(即最壞情況下的功耗)規(guī)范。最好使用最大功率需求作為相對保守的安全值，然后再減去給定的百分比(通常為30%到40%)，得到較為符合實際情況的功率值。圖5顯示了獨立式儀器集成到測試系統(tǒng)中時的最大功率需求。
圖5. PXI機箱的總功耗是機箱中所有模塊的功耗之和。如上圖所示，一個完整的儀器機箱在最壞情況下的功耗為526.9 W。
此外，指南中還對以下章節(jié)進行了詳細(xì)講解：
?配電單元：合適的配電單元能夠確保系統(tǒng)各部件得到足夠的電力供應(yīng)，并且可以平衡各部件的功率負(fù)載，防止過流情況的出現(xiàn)。
?電源狀態(tài)：電源狀態(tài)是指電源的電壓、電流等參數(shù)的狀態(tài)。在自動測試系統(tǒng)中，電源狀態(tài)需要進行實時監(jiān)測和管理，以確保各部件的正常運行。
?接地：接地是確保電源系統(tǒng)安全的重要措施。通過將電源系統(tǒng)的地線與大地相連，可以避免雷擊等意外情況對電源系統(tǒng)的損害。
?組件采購最佳實踐：在采購自動測試系統(tǒng)的組件時，需要考慮各種因素，如組件的性能、可靠性、價格等。同時，還需要根據(jù)系統(tǒng)的實際需求進行選擇和配置，以達(dá)到最佳的性能和效果。
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