自动化测试系统电源规划攻略
2024-05-07
就像使用电脑之前需接通电源一样，自动化测试系统的电源选择也是首当其冲的问题，只不是这个问题更复杂。
比如，应考虑地理位置因素，因为不同国家或地区的公共电网所提供的线路功率有所不同。在电源布局和设备选型方面，有一些实践经验，例如为系统接入电源时增加约20%的安全缓冲量，以应对用电量大的时段和测试系统未来的扩展需求。
还需要考虑其他因素，如电磁干扰或线路滤波器、功率预算、配电单元、电源状态监测等。
一、为系统接入电源
为ATE系统接入电源的最佳做法是使用电源输入面板或电源进线面板。这样可以将内部电源接线与主电压的施加点隔离开来。使用电源输入面板，可以为测试系统配备合适的电源连接器，即额定电压和电流能够满足系统供电需求的电源连接器。
NI电源输入面板支持多种连接器类型和额定功率，可满足各种电源要求和地理位置要求。图1给出了电源面板连接器的示例。优质的电源面板还应内置电路保护(包括断路器和保险丝)，以保护系统免受电源浪涌或选用电源不当所带来的损害。更高级的电源面板还会内置电磁干扰(EMI)滤波器、浪涌抑制器以及用于将信号传递到系统的其他连接功能。
图1.电源布局包括测试系统中的所有设备，并呈现从电源到测试系统再到最终用电设备的功率流。
图2.电源输入面板提供将电源接入系统所需的连接功能。电源输入面板可以采用多种标准电源连接器类型中的一种，并且优质的电源面板还具备滤波或急停开关继电器等附加功能。
二、地理位置因素——不同国家的公共电网所提供的线路功率不同
为测试系统选择电源面板时，测试仪或测试设备的地理位置是需要重点关注的一个细节。此外，在规划新的测试系统时，还应考虑电源标准和电网基础设施、安全要求以及部署难易程度，这些因素都会受到地理位置的影响。
电网标准
不同国家或地区的公共电网所提供的线路功率有所不同。世界各个国家或地区均针对其电网中的RMS电压、交流电频率、连接器和电流范围制定了相关标准。
公共电网具有以下几种电源配置：
1.单相电源由一根用于传导交流电的火线和一根零线组成。这种线路的电压一般从100 V到240 V不等。例如，日本的线路电压为100 V，而输送电压在220 V和240 V 之间。美国和加拿大公共电网的输送电压为110 V到120 V。
2.两相电源也称为分相电源，由两根火线和一根零线组成，两根火线以给定正负偏移电压供电。在美国，两相电源通常为120 V，两根火线之间的相位差为180度。由于两根火线分别传输120 V和-120 V的电压，可以分别将两根火线与零线搭配使用，形成两个120 V的单相电源，也可以使用两根火线，形成一个240 V的单相电源。
3.三相电源由三根火线和一根零线组成，三根火线相互之间的相位差为120度。美国大多数建筑使用208 Y/120 V 电源，通过三根火线传导120V电压，电源电路输出恒定，为208 V。许多工业建筑使用480 Y/277 V，可提供大型机械所需的480 V电压。
图3.如要将测试系统部署在多个国家或地区，就需要灵活地进行系统设计。在开发这类测试系统时，务必要事先考虑相关国家或地区的电源标准和认证。
全球部署
测试系统的设计和部署地点往往不同，甚至涉及多个地理位置。将单个系统部署在多个地理位置会为系统引入一系列新的要求。将系统部署到马来西亚与将系统部署到研发地的工厂甚至是研发机构所在大楼是截然不同的。
例如，在底特律的一家研发机构开发一款汽车引擎控制单元测试系统，但却要将其部署在墨西哥的工厂。在设计该系统时应考虑墨西哥的电网标准和质量，并在系统发运之前确认系统满足在墨西哥部署所需的所有安全和监管认证。设计在全球部署的测试系统时，需要考虑以下事项：
1.电网电压标准和配置
2.电网质量和可靠性
3.材料合规性，如是否符合RoHS标准
4.能源合规性，如是否CE、PSE或KC认证标准
5.贸易合规性和进出口法规
三、电磁干扰因素——考虑EMI和线路滤波器
电网承载的高能信号通常会发射电磁噪声。电源线产生的大多数噪声相对一致，可以提前进行相关规划。但是，世界上没有完美的电网，电源信号中很可能会存在一些非标准噪声。非标准噪声可能会影响系统中的仪器所进行的测量，甚至导致系统违反认证要求。
为了保护测试系统免受来自于输电线路的意外噪声源的影响，最常用的方法是使用EMI和线路滤波器。线路滤波器必须在一定电压和电流下工作，并且滤波的信号也有一定的频率范围。例如，线路滤波器的最大电压和电流可以为250 V、10 A，工作频率范围为150 kHz至1 MHz。确保根据测试系统的功率选择适合的线路滤波器来滤除不需要的噪声频率。NI电源输入面板配有EMI/线路滤波器，可为敏感的测量设备提供保护。
图4.断路器和线路/EMI滤波器对于保护测试系统中的设备以及确保仪器正常运行和精准测量至关重要。图中给出了电源输入面板的低功率、中功率和高功率配置示例。
四、功率预算，优化功率分配
功率预算是测试系统资源和组件规划过程中的关键环节。任一给定设备必须能够在正确的电压下获得适量的电流。功率预算必须针对整个系统以及系统内的每个配电点执行。在通过计算确定所需的功率量后，可以对这些计算出的值应用一些标准规则，从而优化测试系统中的功率分配。
系统功率预算
在确定系统功率预算时，首先需要确定测试系统中所有设备的最大功率需求。需求总和中应包含测试系统中所有组件的预期指标，包括电压、电流和功率瓦数。在许多情况下，功率预算中最重要的指标是电流。由于系统中的给定传输线路只能流过一定量的电流，因此通常必须使用配电单元(PDU)仔细分配在整个系统中的电流。
给定设备的功耗通常在用户手册中写明，有时还会涉及不同条件下的多种功率需求。在某些情况下，设备标注了典型功耗和最大功耗(即最坏情况下的功耗)规范。最好使用最大功率需求作为相对保守的安全值，然后再减去给定的百分比(通常为30%到40%)，得到较为符合实际情况的功率值。图5显示了独立式仪器集成到测试系统中时的最大功率需求。
图5. PXI机箱的总功耗是机箱中所有模块的功耗之和。如上图所示，一个完整的仪器机箱在最坏情况下的功耗为526.9 W。
此外，指南中还对以下章节进行了详细讲解：
☑配电单元：合适的配电单元能够确保系统各部件得到足够的电力供应，并且可以平衡各部件的功率负载，防止过流情况的出现。
☑电源状态：电源状态是指电源的电压、电流等参数的状态。在自动测试系统中，电源状态需要进行实时监测和管理，以确保各部件的正常运行。
☑接地：接地是确保电源系统安全的重要措施。通过将电源系统的地线与大地相连，可以避免雷击等意外情况对电源系统的损害。
☑组件采购最佳实践：在采购自动测试系统的组件时，需要考虑各种因素，如组件的性能、可靠性、价格等。同时，还需要根据系统的实际需求进行选择和配置，以达到最佳的性能和效果。
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