Angesichts der zunehmenden Anzahl und Vielfalt der von Instrumentenplatinen benötigten Kanäle und Lasten wurden verteilte Stromversorgungsarchitekturen unerlässlich. Ein einfacheres, zentrales und vergleichsweise sperriges Netzteil lieferte eine geregelte Gleichspannung, typischerweise 48 V, an ein Backplane-Verteilungssystem. Testplatinen nutzten einen Teil ihrer Oberfläche für DC/DC-Wandler, üblicherweise am Rand, deren Ausgänge genau auf die Anforderungen der Messschaltungen abgestimmt waren.
Testschaltungen benötigen heutzutage mehr Energie, und ihre Spannungs-/Stromanforderungen decken einen breiten Wertebereich ab. Gleichzeitig benötigen Testgeräte nicht nur Leistung, sondern auch die Fähigkeit, mehrere Spannungsschienen präzise und schnell zu modulieren, um die analogen Partitionen eines Prüflings vollständig zu charakterisieren. Das Stromversorgungssystem wird aufgrund der steigenden Leistungsfähigkeit und Dichte moderner VLSI- (Very Large Scale Instrument) oder SOC-Designs (System-on-a-Compute) zu einer Schlüsselkomponente von ATE (Analog Test Equipment).
Der Trend zu höherer Dichte und Dynamik gestaltet sich auch bei Spannungen im 48-V-Bereich komplex, da höhere Ströme größere Kupferquerschnitte auf Platinen mit höherer Bauteildichte erfordern. Neue Konzepte wie die faktorisierte Leistungsarchitektur und die 400-V-Gleichstromverteilung werden derzeit erforscht.
Im nächsten Schritt analysieren wir, wie sich die Anforderungen an die Instrumentenkarten und die zu testenden Geräte auf die verteilte Energiearchitektur im ATE-System auswirken und welche Hauptdesignparameter zu berücksichtigen sind, um das Verteilungsnetz im ATE-Rack zwischen mehreren Instrumentenkarten und bis hin zur Messschaltung zu optimieren.
Überlegungen zum Design verteilter Stromversorgungsnetze
Wie bereits im vorherigen Absatz erwähnt und in Abbildung 2 dargestellt, hat die zentrale Stromversorgung weitgehend ausgedient. Die verteilte Stromversorgung mit Backplane-Verteilung ist heute die gängigste Praxis. Die Telekommunikations- und Datenkommunikationsbranche nutzt diese Technik seit Langem und steht in vielerlei Hinsicht vor ähnlichen Herausforderungen wie moderne ATEs. Tatsächlich werden viele der Siliziumchips, die ATEs verifizieren und charakterisieren müssen, in Telekommunikations-, Computer- und Routingsystemen eingesetzt, die von der Telekommunikationsbranche genutzt werden, um weltweit immer größere Datenmengen über drahtgebundene und drahtlose Netzwerke zu übertragen. Die auffälligste Gemeinsamkeit dieser beiden Bereiche ist der Bedarf an dichten und präzisen Stromversorgungssystemen, wenn auch mit unterschiedlichen Zielsetzungen: Leistung und Flexibilität für ATEs und die Gesamtbetriebskosten für Telekommunikations- und Datenkommunikationssysteme.
Konstruktionsüberlegungen aus systemtechnischer Sicht.
Stückliste
. Ziel: Minimierung der Stückliste.
Die Stücklisten für verteilte Stromversorgungen werden maßgeblich von einem Parameter beeinflusst: der Verteilungsspannung auf der Rückwandplatine. Die Wahl des Kupferquerschnitts sollte allein anhand der Verteilungsverluste erfolgen. Bei Analog-Erde-Testern (ATEs) ist die Vermeidung von thermischen Problemen von größter Bedeutung. Daher sollten die Verteilungsverluste in einem Bereich liegen, der vom vorhandenen Kühlsystem problemlos bewältigt werden kann. Ist es erforderlich, die Instrumentenplatinen im laufenden Betrieb zu verbinden, müssen auf jeder Platine geeignete OR-Verknüpfungen installiert werden. Tabelle 1 enthält Empfehlungen aus Studien in Telekommunikations-Rechenzentren. Während nur ATEs mit einem Leistungsbedarf von über 20 kW umfangreiche Paralleltests unterstützen, ist klar, dass 48-V-Rückwandplatinen wahrscheinlich nicht mehr die beste Option darstellen. Bei unzureichender 48-V-Spannung ist mit einem verstärkten Einsatz von 400-V-Rückwandplatinen mit ihren geringeren Strömen zu rechnen.
Betriebskosten, Effizienz und Verluste, Wärmemanagement.
Ziel: Optimierung des Wärmemanagementsystems durch Reduzierung der Verteilungsverluste.
Bisher lag unser Fokus auf der Verteilung auf der Backplane. Während das Wärmemanagement auf der Backplane in der Regel relativ unkompliziert ist, kann die Steuerung der Stromversorgung der Instrumentenplatine deutlich komplexer sein. Zudem beanspruchen die Stromschienen auf den Instrumentenplatinen wertvollen Platz. Daher ist es sinnvoll, die Spannung der Backplane so nah wie möglich an der Last zu verteilen, sei es die Messschaltung oder ein integrierter DC/DC-Wandler. Bei Verwendung einer niedrigen Spannung auf der Backplane – beispielsweise 12 V – muss das Kupfer auf der Leiterplatte nicht nur die richtige Größe haben, sondern auch ausreichend gekühlt werden.
Ein weniger offensichtlicher Aspekt ist die Schwierigkeit, Gleichstrom- (I²R) und Wechselstrom-Spannungsabfälle (L·di/dt) bei steigenden Stromstärken präzise zu kompensieren. Entwickler müssen daher unter Umständen die Leistungskomponenten des Umrichters überdimensionieren und Filter- sowie Entkopplungsnetzwerke für verteilte Versorgungsspannungen unter 48 V hinzufügen.
Flexibilität und Granularität.
Maximale Flexibilität bei Design und Konfiguration der Testplatine soll ermöglicht werden.
Instrumentenplatinen müssen eine stetig wachsende Vielfalt an Lasten versorgen. Daher bieten Stromversorgungssysteme mit fein abgestuften Komponenten einen erheblichen Vorteil für den Entwickler. Eine effektive Lösung ist die Verwendung einer Zwischenbusarchitektur, bei der die Spannung der Backplane effektiv auf eine niedrigere „Zwischen“-Busspannung reduziert und anschließend am Lastpunkt durch einen synchronen Abwärtswandler in Standardbauweise geregelt wird.
Im Rahmen des Flexibilitätsparadigmas hat sich die Wiederverwendung von Designs als gängige Option etabliert, um die Standardisierung verschiedener Stromversorgungssysteme zu fördern. Entwickler können zahlreiche Regler aus einem Pool validierter Designs auswählen und an spezifische elektrische Lasten anpassen. Diese Regler können dann so nah wie möglich an den Lasten platziert werden, um die dynamische Leistung zu maximieren. Gruppen von Reglern werden über einen einzigen Zwischenbus mit Unterstützung eines Busumrichters versorgt. Obwohl es ratsam ist, die Ausgangsleistung des Umrichters an die Anforderungen des nachgeschalteten Reglers anzupassen, bestehen typischerweise Einschränkungen hinsichtlich der effektiven Verteilung des Zwischenbus auf der Leiterplatte. Bei einer Zwischenbusspannung von 12 V erfordert die Verteilung selbst von nur 300 W einen Strom von 25 A, was bei Designs mit hoher Packungsdichte problematisch sein kann.
der Zuverlässigkeit und Redundanz
: Maximale Systemverfügbarkeit durch ein Design, das Zuverlässigkeit und Redundanz erhöht.
Das dezentrale Stromversorgungsnetz bildet das Rückgrat komplexer Anlagen, Leistungsmesssysteme und Prüflinge. Da die Betriebsdauer von ATE (unterstützte Verteilungsanlagen) typischerweise Jahrzehnte beträgt, ist es notwendig, die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) kritischer Komponenten zu ermitteln und zu überwachen. Dies umfasst:
Angemessene Geschwindigkeitsreduzierung aus elektrischer und thermischer Sicht – Während die Geschwindigkeitsreduzierung im Allgemeinen als Methode zur Verringerung der thermischen Belastung gilt, kann die Stromdichte auch zum Verständnis von Ausfallmechanismen beitragen. Ein Beispiel hierfür ist die Elektromigration auf Leiterbahnen von Leiterplatten.
Redundanz – Kritische Komponenten, deren Ausfall die Maschinenverfügbarkeit beeinträchtigt, sollten redundant ausgelegt sein, und Ersatzteile sollten für den Austausch vor Ort verfügbar sein.
der Reparierbarkeit und Diagnosetelemetrie
: Höchstmögliche Modularität und Online-Diagnoseoptionen für das System über den gesamten Lebenszyklus hinweg.
Die Backplane-Verteilungstechnologie ist von Natur aus sehr flexibel und ermöglicht den Austausch nicht-kritischer Lasten (z. B. Lüfter) im laufenden Betrieb vor Ort. Dieselbe Flexibilität sollte jedoch auch am anderen Ende des Verteilungsnetzes gewährleistet sein, um den Zugang zum sperrigen Stromversorgungssystem zu erleichtern.
Die Diagnose spielt eine entscheidende Rolle. Um das System vor sich ausbreitenden Fehlern zu schützen, ist es notwendig, Probleme mit Komponenten oder Subsystemen schnell zu erkennen und zu isolieren. Während dies bei zentralisierten Stromversorgungsarchitekturen nahezu unmöglich ist, bieten sowohl verteilte als auch faktorisierte Stromversorgungsarchitekturen die Möglichkeit, die Diagnose verteilter Stromnetze zu automatisieren. Verteilte Stromversorgungsarchitekturen nutzen traditionell ein „Margining“-Verfahren, bei dem der entfernte DC/DC-Wandler durch eine vordefinierte Sequenz gesteuert wird und ein dediziertes Stromnetz den resultierenden dynamischen DC- oder AC-Ausgang überprüft. Moderne Leistungskomponenten und faktorisierte Stromversorgungsarchitekturen bieten eine einfachere digitale Schnittstelle, über die übergeordnete Steuerungen Echtzeit-Statusinformationen über einen seriellen Schnittstellenbus, typischerweise I²C oder UART, anfordern können.
Störquellen und Immunitätsziel
: Minimierung von EMV und EMI innerhalb des Systems durch Entkopplung des verteilten Stromnetzes zur Minimierung leitungsgebundener und abgestrahlter Störungen.
EMV und EMV gelten gemeinhin als die „schwarze Magie“ der Stromversorgungstechnik. Dennoch gelten einige grundlegende Regeln. Zunächst muss die Störquelle identifiziert werden; anschließend muss der Störpegel so nah wie möglich an der Quelle eingedämmt oder gefiltert werden (sofern er sich nicht vollständig vermeiden lässt). Leider ist das verteilte Stromversorgungsnetz prädestiniert für die Verteilung von leitungsgebundenem und abgestrahltem Rauschen im System. Daher ist es äußerst wichtig, geeignete Filter zu implementieren, wenn nicht auf Ebene der einzelnen DC/DC-Wandler, so doch zumindest auf jeder Instrumentenkarte, um Übersprechen in der Backplane zu verhindern.
Ein besonders problematisches Phänomen sind die niederfrequenten Störungen, die sowohl in der Rückwandplatine als auch auf den Zwischenschienen entstehen. Diese Störungen resultieren aus Wechselwirkungen zwischen den Eingangsströmen verschiedener Wandler, die zu niederfrequenten Schwebungen führen. Entwickler können dieses Problem vermeiden, indem sie sicherstellen, dass alle Schaltstromkomponenten ausreichend innerhalb der jeweiligen Wandler konzentriert sind.
Fazit:
Die Auslegung eines verteilten Stromversorgungsnetzes stellt selbst modernste Testsysteme vor Herausforderungen. Verschiedene Aspekte der gewählten Stromversorgungssystemarchitektur müssen sorgfältig bewertet werden. Während verteilte Stromversorgungsarchitekturen auf Basis von 48-V-Backplanes derzeit die gängigste Option darstellen, gewinnen fortschrittliche Architekturen wie die faktorisierte Leistungsableitung aus einer 400-V-Gleichstromverteilung zunehmend an Bedeutung, da sie die Systemdichte durch höhere Effizienz und feinere Granularität verbessern. Die Abbildung zeigt ein Beispiel für eine standardmäßige zweistufige Auslegung zur Versorgung des Lastpunkts aus einer 400-V-Gleichstromverteilung: Links ein Eingangsmodul bestehend aus zwei 400-V-Busumrichtern (unterhalb der Kühlkörper und einem einzelnen Modul in der Nähe der Klemme); oben ein mehrphasiges Spannungsregelungsmodul (VRM) mit dem klassischen 12-V-Abwärtswandler.
Autor:
Maurizio Salato, Direktor für Systemtechnik, VICOR
