自動化測試系統電源規劃攻略
2024-05-07
就像使用電腦之前需接通電源一樣，自動化測試系統的電源選擇也是首當其沖的問題，只不是這個問題更復雜。
比如，應考慮地理位置因素，因為不同國家或地區的公共電網所提供的線路功率有所不同。在電源布局和設備選型方面，有一些實踐經驗，例如為系統接入電源時增加約20%的安全緩沖量，以應對用電量大的時段和測試系統未來的擴展需求。
還需要考慮其他因素，如電磁干擾或線路濾波器、功率預算、配電單元、電源狀態監測等。
一、為系統接入電源
為ATE系統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，可以為測試系統配備合適的電源連接器，即額定電壓和電流能夠滿足系統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。優質的電源面板還應內置電路保護(包括斷路器和保險絲)，以保護系統免受電源浪涌或選用電源不當所帶來的損害。更高級的電源面板還會內置電磁干擾(EMI)濾波器、浪涌抑制器以及用于將信號傳遞到系統的其他連接功能。
圖1.電源布局包括測試系統中的所有設備，并呈現從電源到測試系統再到最終用電設備的功率流。
圖2.電源輸入面板提供將電源接入系統所需的連接功能。電源輸入面板可以采用多種標準電源連接器類型中的一種，并且優質的電源面板還具備濾波或急停開關繼電器等附加功能。
二、地理位置因素——不同國家的公共電網所提供的線路功率不同
為測試系統選擇電源面板時，測試儀或測試設備的地理位置是需要重點關注的一個細節。此外，在規劃新的測試系統時，還應考慮電源標準和電網基礎設施、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。
電網標準
不同國家或地區的公共電網所提供的線路功率有所不同。世界各個國家或地區均針對其電網中的RMS電壓、交流電頻率、連接器和電流范圍制定了相關標準。
公共電網具有以下幾種電源配置：
1.單相電源由一根用于傳導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。美國大多數建筑使用208 Y/120 V 電源，通過三根火線傳導120V電壓，電源電路輸出恒定，為208 V。許多工業建筑使用480 Y/277 V，可提供大型機械所需的480 V電壓。
圖3.如要將測試系統部署在多個國家或地區，就需要靈活地進行系統設計。在開發這類測試系統時，務必要事先考慮相關國家或地區的電源標準和認證。
全球部署
測試系統的設計和部署地點往往不同，甚至涉及多個地理位置。將單個系統部署在多個地理位置會為系統引入一系列新的要求。將系統部署到馬來西亞與將系統部署到研發地的工廠甚至是研發機構所在大樓是截然不同的。
例如，在底特律的一家研發機構開發一款汽車引擎控制單元測試系統，但卻要將其部署在墨西哥的工廠。在設計該系統時應考慮墨西哥的電網標準和質量，并在系統發運之前確認系統滿足在墨西哥部署所需的所有安全和監管認證。設計在全球部署的測試系統時，需要考慮以下事項：
1.電網電壓標準和配置
2.電網質量和可靠性
3.材料合規性，如是否符合RoHS標準
4.能源合規性，如是否CE、PSE或KC認證標準
5.貿易合規性和進出口法規
三、電磁干擾因素——考慮EMI和線路濾波器
電網承載的高能信號通常會發射電磁噪聲。電源線產生的大多數噪聲相對一致，可以提前進行相關規劃。但是，世界上沒有完美的電網，電源信號中很可能會存在一些非標準噪聲。非標準噪聲可能會影響系統中的儀器所進行的測量，甚至導致系統違反認證要求。
為了保護測試系統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。確保根據測試系統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中的設備以及確保儀器正常運行和精準測量至關重要。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、功率預算，優化功率分配
功率預算是測試系統資源和組件規劃過程中的關鍵環節。任一給定設備必須能夠在正確的電壓下獲得適量的電流。功率預算必須針對整個系統以及系統內的每個配電點執行。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用一些標準規則，從而優化測試系統中的功率分配。
系統功率預算
在確定系統功率預算時，首先需要確定測試系統中所有設備的最大功率需求。需求總和中應包含測試系統中所有組件的預期指標，包括電壓、電流和功率瓦數。在許多情況下，功率預算中最重要的指標是電流。由于系統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)仔細分配在整個系統中的電流。
給定設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，設備標注了典型功耗和最大功耗(即最壞情況下的功耗)規范。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進行了詳細講解：
?配電單元：合適的配電單元能夠確保系統各部件得到足夠的電力供應，并且可以平衡各部件的功率負載，防止過流情況的出現。
?電源狀態：電源狀態是指電源的電壓、電流等參數的狀態。在自動測試系統中，電源狀態需要進行實時監測和管理，以確保各部件的正常運行。
?接地：接地是確保電源系統安全的重要措施。通過將電源系統的地線與大地相連，可以避免雷擊等意外情況對電源系統的損害。
?組件采購最佳實踐：在采購自動測試系統的組件時，需要考慮各種因素，如組件的性能、可靠性、價格等。同時，還需要根據系統的實際需求進行選擇和配置，以達到最佳的性能和效果。
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