详解BRIC模块的供电和功耗管理

编辑笔记：本文由 Pickering Interfaces公司提供，有与非网技术编辑王婷、张国强翻译整理。如需转载，请注明出处。

Pickering Interfaces公司的BRIC模块在密度很高的格局内安放了很多继电器。BRIC模块只用到了PXI底板上左手边的插槽，而为了给模块供电，可以使用在底板上排列比较紧凑的右手边的其他空余插槽，并且只消耗一个活动插槽的功率（如图1所示）。

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图1  BRIC模块在8槽PXI底板中的位置

每个继电器都由一个线圈控制，而为了进行连接线圈需要电源激励，在电源断开的情况下，继电器的默认状态为“断开连接的”。当越来越多的继电器闭合后，BRIC的功耗也就越来越高。这篇文档提供了如何对BRIC模块的最坏的情况进行估计，而这种估计是在BRIC模块很真实的测试环境下的功耗得出的。这种估计表明，BRIC模块的功耗比很多其它PXI模块消耗的功率都要小，并且不用过分强调底板电源。

这篇文档中还解释了BRIC模块功率处理能力的局限性，以及当对高电流信号进行转换的时候，如何估计功率的损耗。

PXI底板电源说明
        底板能够向模块提供的电流能力是根据2.1版本中的标准进行定义的。BRIC只能采用+5V的电源供电，而不考虑其它+12V，-12V和+3.3V的电源。许多PXI模块的功耗都要比BRIC模块的功耗大，这主要是因为，它们需要采用多个电源进行供电。

供电电源的要求是，在+5V电源供电下，能够为2号插槽位置中的每一个模块提供2A的电流，而提供更高的电流给底板。也就是说，对于一个8槽底板，+5V电源提供给2号插槽的电流必须为14A。由于1号插槽是控制器所占用的，需要的电流比典型的模块要高，因此，1号插槽中要求更高的电流供应。

另外，底板还需要对其它任何一个插槽提供6A的电流。

BRIC模块占用了底板中的4个或8个插槽，但是实际只有一个插槽要用到电源。因此，必须保证对每个BRIC模块提供6A的电流，不论BRIC模块的大小。由于任何一个BRIC模块消耗的底板上的功率都不会大于30W，因此就决定了BRIC模块和最小的底板配置的兼容性。

BRIC的意义

由于每个BRIC模块都包含了很多继电器，因此，如果所有的继电器都需要供电的话，就会超出底板电源多能提供的电源能力了。但是由于所有X轴和Y轴的接口都可能连接在一起，因此，上面提到的情况并不是真实的测试环境下产生的，而且很明显，这种状态在测试中并没有什么用处。

如果想要了解会遇到的功率损耗最糟糕的情况的话，首先要了解在这种情况下需要闭合的继电器数量。在相关的文档中，提到过BRIC的典型应用是将所有的测试装置输入点和待测设备输入点全部连接到X轴上。Y轴只是在X轴上两点间简单的提供连接线。在许多应用中，这样就意味着，每个BRIC模块只需要两倍Y轴接头数量的继电器闭合即可，一半用于输入，一半用于输出。有时，也会有额外的隔离继电器会增加需要电源的继电器数量。

但是，上述情况好像并不是会遇到的最糟糕的情况。要求最苛刻的应用用户需要测试不同接入点之间的短路问题。在这种情况下，被测设备和X轴上的一点进行连接的，而X轴上这点通过X，Y线又和一个万用表连接。所有可能发生短路的线路都是由通过X轴接头经由Y轴接口最终和另一端的万用表连接到一起。然后，用万用表测试连续性。

这里给用户提出一个简单的经验法则，那就是需要闭合的最大的继电器数量就是矩阵中X轴上所有点的数量。并且还需要在这个数量上加上需要闭合的隔离继电器的数量，当然，这个数量要远小于X轴上接口的数量，因此经常可以忽略不计。

在实际的应用中，并不需要同时对所有的X轴上的点进行连续性检查，因为，一些X轴上的点会和测试装置连接，也有些点不需要考虑连续性问题，上述所说到的要求是比较苛刻的了。而且，可以将测试分成不同的阶段进行，这样也可以限制继电器对电流的需求。

继电器功耗

BRIC模块针对不同的模块功能开发了多种继电器。每种模块类型优化了不同的性能和密度要求。所有的BRIC模块都采用了高可靠性的Ruthenium镀金磁簧继电器。

不同类型的继电器功耗列表如下

表1：BRIC模块和继电器类型的功率（电流）消耗表
 

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继电器的功率消耗主要受以下因素影响，一个是继电器的大小，另一个是驱动继电器工作的线圈的效率。

利用以上的信息，现在可以对BRIC模块的功率（电流）消耗进行估计了。

BRIC PXI功耗

每个BRIC模块都有一个PXI接口和其它一些部件，这些部件的功耗和继电器的驱动线圈需要的功率就没有什么直接的关系了。由于所有的BRIC模块采用的都是相同的approach，因此所有模块中这方面的消耗往往是一样的，不需要考虑模块中应用到的继电器的数量。典型消耗的功率为，+5V电源供电，0.75W（150mA）。

对于这样的功率消耗，用户需要加入驱动继电器线圈的功率。

限制触点闭合的数量

当不小心增加了过多的触点闭合数量的话，很有可能会导致过多的电流下拉。

为了避免这种情况的出现，BRIC的软件驱动器会自动的限制闭合的数量。可是，一些用户会采用他们自己的软件工具对BRIC进行操作，此外，每个BRIC模块还需要重新安装一个电流额定值为2A的保险丝。这样不但可以保证模块不会对PXI底板造成任何损害，而且允许采用高于9W的继电器功率。这样安排的话对大部分应用来说已经足够了。

较高电流信号转换

BRIC模块中还有一个功率的消耗源，但是这种消耗不是来自PXI底板的电源供应。如果BRIC模块转换相对较高的电流信号的话，开关上的接触电阻就引起继电器消耗额外的功率，该部分的功耗是由线圈电阻温度的身高而引起的。此外，在继电器和底板连接器之间的互连轨迹也会造成功率损耗。

了解BRIC模块中开关的额定值
表2：下表中所示的是BRIC模块中不同的开关类型的不同额定值。
 
        开关的载流值是指进行冷转换（没有连接负责电流时的转换）时，开关所能承受的最大的电流值。当电流源连接时，触电的打开或闭合时的电流值，要大于开关的额定电流值。

在没有引入额外的接触磨损时，触点连接和断开时需要的最大电压值即是开关的额定电压值，BRIC模块中的值为150VDC或100VDC。

额定功率是当开关打开或闭合时的电流和电压乘积的最大值。对于低电流，高电压电流源来说，限制因素是额定电压。而对于高电流应用来说，限制因素则为额定电流。如果电流和电压都为中间值时，限制因素是额定功率。比如，在40-562的应用中要求24VDC的电压，那么触点的电流应当限制在0.83A。超过这个值就可能引起过量电弧，进而造成开关接触材料的腐蚀。

如果开关使用在冷转换的环境中时，只需要考虑开关负载的电流和电压额定值。开关可以偶尔在较高的额定电流下工作，但是这样会减少开关的使用寿命。

影响开关的因素

当电流流经开关时，需要考虑的热原则就是负载电流在继电器上产生的加热影响。

BRIC模块是由大量高品质的磁簧继电器构成的，这些磁簧继电器提供了远高于机电部件的机械可靠性特征。因为像BRIC这样的系统是由数量很多的继电器构成的，因此需要重点考虑的是，在使用继电器时with more modest reliability and life，就会使系统很不稳定以至于不能提供较长的使用寿命。磁簧继电器的活动部件很少，因此由于它们的可靠性是ATE系统工艺上很好的选择。

由于磁簧继电器的结构，决定了磁簧继电器的接触电阻要大于同等机电继电器的电阻值。对于应用在BRIC中的磁簧继电器，最大的开关接触电阻为120MΩ（其中不包括两相40-562系列，该系列为150 MΩ）。

BRIC模块中还有一个限制负载电流的因素，就是磁簧继电器簧片的温度升高。该温升有一些因素共同决定，线圈变热的作用，负载电流的变热作用以及影响最大的开关外壳的热性能。BRIC模块中继电器紧凑的排列限制了继电器的散热功能，从而导致了磁黄簧片的温升。

如果温升过高的话，就会使磁簧簧片失去磁性，从而不能正确的进行工作。可以将触点焊接在一起，但是这样经常会使开关在打开触点的时候出错。

40-560系列和40-561系列BRIC模块的最大负载电流是0.5A，接触电阻是120 MΩ，开关触点闭合时会产生30mW的功耗。这个结果要好于线圈产生的65mW到100mW的功耗。一些额外的温升也是很明显的，但是并不是至关重要的。额外的温度作用影响不大。

40-562系列BRIC模块的额定负载电流是1.2A，开关触点上的功耗较高，对于单相的来说是173mW。这里额外的功率损耗要多于线圈上的功耗。

“最糟糕的情况”是40-562系列中的两相BRIC版本，在这个版本中原则上两个触点可以分别负载1.2A的电流。这种情况下，每个触点消耗的功率的最大值为216mW，加上线圈的功耗（66.7mW）。整个封装的功率损耗将近500mW。这个热量需要从继电器中导出。为此，专门设计了PXI底板上的强制空气冷却以及BRIC外壳上的通风系统解决这个问题。即使这样，BRIC模块功率的损耗甚至是最糟糕的情况下的功耗，也依然低于大多数高速数字，模拟半导体设备。

在静态状态下对开关进行了测试。但是在多数情况下，矩阵不会以这种静态的方式进行应用，因为整个系统会不断的设置为不同的状态，因此，矩阵一般情况下会工作在比较良好的工作环境下，而不是工作在最糟糕的情况下。

BRIC矩阵两个X触点之间的总的通道电阻由另外的部件构成，这些部件又会增加BRIC系统的功率损耗。首先两个独立的继电器通电形成一个回路，这些继电器物理位置上是分开的，并且不在一个封装内。热量(功率)损失位于该设计的两个不同点上。另一个损失的源头是，PCB板上的布线电阻会增加设计板上的交叉点上的温升作用。子板卡和底板之间连接器的接触电阻也是功率损失的一个原因，但是，它相对于其它原因产生的功率损耗要小得多。

上述所有案例中，BRIC在进行转换时的热量损失都仅仅和负载电流相关，同转换模块的“功率“无关。如果负载电流低于模块所能承受的额定电流，那么热量（功率）损失就会降低很多（可以使当前的功率损耗减小一半）。

BRIC模块设计，避免了由自身产生的热量的最坏影响，而这些影响包括线圈驱动和触点的功率损耗。在实际应用中，BRIC模块会在比较好的环境下工作。

总结

1. BRIC模块在很多种温度变化的环境下进行过测试，而不仅仅是对实际应用的环境下进行测试
2. BRIC模块的使用方式，是在任何时候都只需要一定数量的继电器闭合
3. BRIC模块的功耗一般情况下要远低于PXI底板上的其它模块
4. 提供的软件驱动器可以在任何情况下控制继电器的闭合数量，从而控制电流消耗
5. 每个BRIC模块都包含了可重置的保险丝，该保险丝可以用来保护底板在过多触点闭合时发生的误操作下不受到损坏