鉴于仪器板所需的通道和负载数量及种类不断增加，分布式电源架构变得至关重要。一种结构简单、集中式但体积稍大的电源装置，可为背板配电系统提供单一的稳压直流电压（通常为 48V）。测试板通常会在其外围预留一部分面积用于直流/直流转换器，其输出与测量电路的需求紧密匹配。.
测试电路如今需要更大的功率才能运行，其电压/电流需求涵盖了广泛的数值范围。同时，测试仪器不仅需要功率，还需要能够精确快速地调制多个电压轨，以便全面表征被测器件的模拟电路。由于最先进的超大规模集成电路（VLSI）或片上系统（SoC）设计的性能和密度不断提高，电源系统正成为模拟测试设备（ATE）的关键组件。.
在48V电压范围内，“高密度”和“高动态”的发展趋势也较为复杂，因为更高的电流需要更大的铜横截面积，而器件密度也更高。目前正在探索诸如功率分解架构和400V直流配电等新概念。.
接下来，我们将分析仪器卡和被测设备的要求如何影响 ATE 系统中的分布式电源架构，以及为了优化 ATE 机架中多个仪器卡之间以及直至测量电路的配电网络，需要考虑的主要设计参数。.
关于分布式电源网络设计的考量
如前文所述，并如图 2 所示，集中式电源供应已基本被弃用，而采用背板分配的分布式电源供应是目前最普遍的做法。电信和数据通信行业长期以来一直使用这种技术，并且在许多方面面临着与现代自动测试设备 (ATE) 相同的挑战。事实上，ATE 需要验证和表征的许多硅芯片都应用于电信、计算和路由系统中，这些系统被电信行业用于在全球范围内通过有线和无线网络传输日益增长的数据量。这两个“领域”之间最显著的相似之处在于它们都需要高密度、细粒度的电源供应系统，尽管目标有所不同：ATE 追求的是性能和灵活性，而电信和数据通信系统追求的是总体拥有成本。
从系统角度进行设计考虑。
物料清单
。目标：尽可能减少物料清单。
分布式电源的物料清单直接受一个主要参数的影响：背板上的配电电压。仅考虑配电损耗即可确定铜线截面的选择。对于自动测试设备 (ATE) 而言，首要考虑因素是避免过热问题；因此，配电损耗应控制在现有冷却系统易于管理的范围内。此外，如果需要在仪器板完全运行时进行连接，则应在每个板上安装合适的“或”连接装置。表 1 提供了基于电信数据中心研究得出的指导原则。虽然只有那些支持高水平并行测试的 ATE 才需要超过 20kW 的功率，但显然 48V 背板可能不再是最佳选择，当 48V 电压不足时，预计会更多地使用电流更低的 400V 背板。.
运行成本、效率和损耗、热管理。
目标：通过控制分配损耗来优化热管理系统。
目前，我们主要关注背板的分配。虽然背板的热管理通常并不难，但控制仪器板的电源系统却相当复杂。此外，仪器板上的电源总线会占用宝贵的电路板空间。因此，最合理的选择是将背板电压尽可能靠近负载分配，无论是测量电路还是集成的DC/DC转换器。当然，如果背板使用低电压（例如12V），则印刷电路板上的铜箔不仅尺寸要合适，而且散热也要足够。
一个不太明显的方面是，随着电流增大，精确补偿直流 (I²R) 和交流 (L·di/dt) 电压降的难度增加。对于低于 48V 的分布式电源电压，设计人员可能需要增大转换器功率元件的尺寸，并增加滤波和去耦网络。.
灵活性和粒度
目标：最大限度地提高测试板设计和配置的灵活性。
仪器板必须为日益多样化的负载供电。因此，采用粒度级组件的电源系统为设计人员提供了显著优势。一种有效的解决方案是采用中间总线架构，将背板电压有效降低到较低的“中间”总线电压，然后在负载点由标准型同步降压转换器进行调节。
在灵活性设计理念下，重复使用现有设计已成为利用标准化实现各种电源系统集成的常用方法。设计人员可以从一系列有效设计中“获取并定制”多个稳压器，以满足特定的电气负载需求，并尽可能将其放置在靠近负载的位置，从而最大限度地提高动态性能。多个稳压器组将通过总线转换器由单个中间总线供电。虽然良好的设计实践应使转换器的功率输出与下游稳压器的需求相匹配，但通常情况下，电路板上中间总线的有效分配会受到一些限制。例如，对于 12V 的中间总线电压，即使分配 300W 的功率也需要驱动 25A 的电流，这在高密度设计中可能是一个挑战。.
可靠性和冗余
目标：通过增强可靠性和冗余性的设计，实现系统可用性最大化。
分布式电源网络是复杂设备、功率测量系统和被测设备的基础。由于辅助配电设备 (ATE) 的使用寿命通常以数十年计，因此必须识别并监控关键组件的平均故障间隔时间 (MTBF)。这包括：
从电气和热学角度考虑适当的速度降低——虽然降低速度通常被认为是一种减少热应力的方法，但电流密度也有助于理解失效机制。例如，印刷电路板走线上的电迁移现象。.
冗余——故障会影响机器可用性的关键部件应采用冗余设计，并应备有备件以便在现场更换。.
可修复性和诊断遥测
目标：实现最高级别的模块化，并在系统整个生命周期内提供在线诊断选项。
背板配电技术本身就非常灵活，允许在设备保持运行的情况下，现场更换非关键负载（例如风扇）。然而，配电网络的另一端也应具备同样的灵活性，以便于检修庞大的电源系统。
诊断也变得至关重要。必须快速识别并隔离组件或子系统的问题，以防止故障蔓延。集中式电源架构几乎无法实现这一点，但分布式电源架构和分立式电源架构都提供了一种实现分布式电源网络诊断自动化的方法。传统的分布式电源架构采用“裕量控制”技术，其中远程DC/DC转换器由预先设定的顺序控制，专用电源网络验证由此产生的动态直流或交流输出。现代电源组件和分立式电源架构提供了一种更简单的数字接口，监控控制器可以通过串行接口总线（通常是I2C或UART）请求实时状态信息。.
噪声源和抗扰度
目标：通过解耦分布式电源网络来最大限度地减少传导和辐射干扰，从而最大限度地减少系统内的 EMC 和 EMI。
EMC 和 EMI 通常被认为是电源设计中的“黑魔法”。然而，一些基本原则是普遍适用的。首先，识别噪声源；其次，尽可能在噪声源附近抑制或滤除噪声（假设噪声无法完全避免）。遗憾的是，分布式电源网络极易在系统内部传播传导噪声，并在系统机架周围传播辐射噪声。因此，即使无法在每个 DC/DC 组件级别进行滤波，也至少在每个仪器卡级别进行滤波，以防止背板串扰，这一点至关重要。.
一个特别棘手的问题是背板和中间总线上产生的低频噪声。这是由于各个转换器的输入电流相互作用产生的低频拍频噪声。设计人员可以通过确保所有开关电流分量都充分限制在每个转换器内部来避免这个问题。.
结论：
分布式电源网络的设计即使对最先进的测试系统来说也是一项挑战。在选择电源系统架构时，必须仔细评估多个方面。虽然基于 48V 背板的分布式电源架构目前是最常见的选择，但诸如从 400V 直流配电盘取电等先进架构正变得越来越有价值，因为它们能够通过提供更高的效率和更精细的控制来提高系统密度。图示展示了一个使用 400V 直流配电盘为负载点供电的标准两级设计示例：左侧是一个输入模块，由两个 400V 母线转换器组成（位于散热片下方，图中夹子附近显示一个单独的模块）；顶部是一个多相电压调节模块 (VRM)，采用经典的 12V 降压转换器。
作者：
Maurizio Salato，VICOR 系统工程总监
