- BRIC模塊的電源管理和功耗技術討論
- 采用高可靠性的Ruthenium鍍金磁簧繼電器
- 限制觸點閉合的數量
Pickering Interfaces公司的BRIC模塊在密度很高的格局內安放了很多繼電器。BRIC模塊只用到了PXI底板上左手邊的插槽，而為了給模塊進行供電，可以使用在底板上排列比較緊湊的右手邊的其他空余插槽，并且只消耗一個活動插槽的功率（如圖1所示）。
圖1 BRIC模塊在8槽PXI底板中的位置
每個繼電器都由一個線圈控制，而為了連接線圈需要電源激勵，在電源斷開的情況下，繼電器的默認狀態是“斷開連接的”。當越來越多的繼電器閉合后，BRIC的功耗也就越來越高。這篇文檔提供了如何對BRIC模塊的最壞的情況進行估計，而這種估計是由BRIC模塊在很真實的測試環境下的功耗得出的。這種估計表明，BRIC模塊的功耗比很多其它PXI模塊消耗的功率都要小，并且不用過分強調底板電源。
這篇文檔中還解釋了BRIC模塊功率處理能力的局限性，以及當對高電流信號進行轉換的時候，如何估計功率的損耗。
PXI底板電源說明
底板能夠向模塊提供的電流能力是根據2.1版本中的標準進行定義的。BRIC只能采用+5V的電源供電，而不考慮其它+12V，-12V和+3.3V的電源。許多PXI模塊的功耗都要比BRIC模塊的功耗大，這主要是因為，它們需要采用多個電源進行供電。
供電電源的要求是，在+5V電源供電下，能夠為2號插槽位置中的每一個模塊提供2A的電流，而提供更高的電流給底板。也就是說，對于一個8槽底板，+5V電源提供給2號插槽的電流必須為14A。由于1號插槽是控制器所占用的，需要的電流比典型的模塊要高，因此，1號插槽中要求更高的電流供應。
另外，底板還需要對其它任何一個插槽提供6A的電流。
BRIC模塊占用了底板中的4個或8個插槽，但是實際只有一個插槽要用到電源。因此，必須保證對每個BRIC模塊提供6A的電流，不論BRIC模塊的大小。由于任何一個BRIC模塊消耗的底板上的功率都不會大于30W，因此就決定了BRIC模塊和最小的底板配置的兼容性。
BRIC的意義
由于每個BRIC模塊都包含了很多繼電器，因此，如果所有的繼電器都需要供電的話，就會超出底板電源多能提供的電源能力了。但是由于所有X軸和Y軸的接口都可能連接在一起，因此，上面提到的情況并不是真實的測試環境下產生的，而且很明顯，這種狀態在測試中并沒有什么用處。
如果想要了解會遇到的功率損耗最糟糕的情況的話，首先要了解在這種情況下需要閉合的繼電器數量。在相關的文檔中，提到過BRIC的典型應用是將所有的測試裝置輸入點和待測設備輸入點全部連接到X軸上。Y軸只是在X軸上兩點間簡單的提供連接線。在許多應用中，這樣就意味著，每個BRIC模塊只需要兩倍Y軸接頭數量的繼電器閉合即可，一半用于輸入，一半用于輸出。有時，也會有額外的隔離繼電器會增加需要電源的繼電器數量。
但是，上述情況好像并不是會遇到的最糟糕的情況。要求最苛刻的應用用戶需要測試不同接入點之間的短路問題。在這種情況下，被測設備和X軸上的一點進行連接的，而X軸上這點通過X，Y線又和一個萬用表連接。所有可能發生短路的線路都是由通過X軸接頭經由Y軸接口最終和另一端的萬用表連接到一起。然后，用萬用表測試連續性。
這里給用戶提出一個簡單的經驗法則，那就是需要閉合的最大的繼電器數量就是矩陣中X軸上所有點的數量。并且還需要在這個數量上加上需要閉合的隔離繼電器的數量，當然，這個數量要遠小于X軸上接口的數量，因此經常可以忽略不計。
在實際的應用中，并不需要同時對所有的X軸上的點進行連續性檢查，因為，一些X軸上的點會和測試裝置連接，也有些點不需要考慮連續性問題，上述所說到的要求是比較苛刻的了。而且，可以將測試分成不同的階段進行，這樣也可以限制繼電器對電流的需求。
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繼電器功耗
BRIC模塊針對不同的模塊功能開發了多種繼電器。每種模塊類型優化了不同的性能和密度要求。所有的BRIC模塊都采用了高可靠性的Ruthenium鍍金磁簧繼電器。
不同類型的繼電器功耗列表如下。
BRIC模塊和繼電器類型的功率（電流）消耗表
利用以上的信息，現在可以對BRIC模塊的功率（電流）消耗進行估計了。
BRIC PXI功耗
每個BRIC模塊都有一個PXI接口和其它一些部件，這些部件的功耗和繼電器的驅動線圈需要的功率就沒有什么直接的關系了。由于所有的BRIC模塊采用的都是相同的approach，因此所有模塊中這方面的消耗往往是一樣的，不需要考慮模塊中應用到的繼電器的數量。典型消耗的功率為，+5V電源供電，0.75W（150mA）。
對于這樣的功率消耗，用戶需要加入驅動繼電器線圈的功率。
限制觸點閉合的數量
當不小心增加了過多的觸點閉合數量的話，很有可能會導致過多的電流下拉。
為了避免這種情況的出現，BRIC的軟件驅動器會自動限制閉合的數量。然而，一些用戶會采用他們自己的軟件工具對BRIC進行操作，因此，每個BRIC模塊還需要重新安裝一個電流額定值為2A的保險絲。這樣不但可以保證模塊不會對PXI底板造成任何損害，而且允許采用高于9W的繼電器功率。這樣安排的話對大部分應用來說已經足夠了。
較高電流信號轉換
BRIC模塊中還有一個功率的消耗源，但是這種消耗不是來自PXI底板的電源。如果BRIC模塊轉換相對較高的電流信號的話，開關上的接觸電阻就引起繼電器消耗額外的功率，該部分的功耗是由線圈電阻溫度的身高而引起的。此外，在繼電器和底板連接器之間的互連線纜也會造成功率損耗。
了解BRIC模塊中開關的額定值
下表中所示的是BRIC模塊中不同的開關類型的不同額定值
開關的載流值是指進行冷轉換（沒有連接負責電流時的轉換）時，開關所能承受的最大的電流值。當電流源連接時，觸電的打開或閉合時的電流值，要大于開關的額定電流值。在沒有引入額外的接觸磨損時，觸點連接和斷開時需要的最大電壓值即是開關的額定電壓值，BRIC模塊中的值為150VDC或100VDC。
額定功率是當開關打開或閉合時的電流和電壓乘積的最大值。對于低電流，高電壓電流源來說，限制因素是額定電壓。而對于高電流應用來說，限制因素則為額定電流。如果電流和電壓都為中間值時，限制因素是額定功率。比如，在40-562的應用中要求24VDC的電壓，那么觸點的電流應當限制在0.83A。超過這個值就可能引起過量電弧，進而造成開關接觸材料的腐蝕。
如果開關使用在冷轉換的環境中時，只需要考慮開關負載的電流和電壓額定值。開關可以偶爾在較高的額定電流下工作，但是這樣會減少開關的使用壽命。
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影響開關的因素
當電流流經開關時，需要考慮的熱原則就是負載電流在繼電器上產生的加熱影響。
BRIC模塊是由大量高品質的磁簧繼電器構成的，這些磁簧繼電器提供了遠高于機電部件的機械可靠性特征。因為像BRIC這樣的系統是由數量很多的繼電器構成的，因此需要重點考慮的是，在使用繼電器時就會使系統很不穩定以至于不能提供較長的使用壽命。磁簧繼電器的活動部件很少，因此它們的可靠性是ATE系統工藝上很好的選擇。
由于磁簧繼電器的結構，決定了磁簧繼電器的接觸電阻要大于同等機電繼電器的電阻值。對于應用在BRIC中的磁簧繼電器，最大的開關接觸電阻為120MΩ（其中不包括兩相40-562系列，該系列為150 MΩ）。
BRIC模塊中還有一個限制負載電流的因素，就是磁簧繼電器簧片的溫度升高。該溫升有一些因素共同決定，線圈變熱的作用，負載電流的變熱作用以及影響最大的開關外殼的熱性能。BRIC模塊中繼電器緊湊的排列限制了繼電器的散熱功能，從而導致了磁黃簧片的溫升。
如果溫升過高的話，就會使磁簧簧片失去磁性，從而不能正確的進行工作。可以將觸點焊接在一起，但是這樣經常會使開關在打開觸點的時候出錯。
40-560系列和40-561系列BRIC模塊的最大負載電流是0.5A，接觸電阻是120 MΩ，開關觸點閉合時會產生30mW的功耗。這個結果要好于線圈產生的65mW到100mW的功耗。一些額外的溫升也是很明顯的，但是并不是至關重要的。額外的溫度作用影響不大。
40-562系列BRIC模塊的額定負載電流是1.2A，開關觸點上的功耗較高，對于單相的來說是173mW。這里額外的功率損耗要多于線圈上的功耗。
“最糟糕的情況”是40-562系列中的兩相BRIC版本，在這個版本中原則上兩個觸點可以分別負載1.2A的電流。這種情況下，每個觸點消耗的功率的最大值為216mW，加上線圈的功耗（66.7mW）。整個封裝的功率損耗將近500mW。這個熱量需要從繼電器中導出。為此，專門設計了PXI底板上的強制空氣冷卻以及BRIC外殼上的通風系統解決這個問題。即使這樣，BRIC模塊功率的損耗甚至是最糟糕的情況下的功耗，也依然低于大多數高速數字，模擬半導體設備。
在靜態狀態下對開關進行了測試。但是在多數情況下，矩陣不會以這種靜態的方式進行應用，因為整個系統會不斷的設置為不同的狀態，因此，矩陣一般情況下會工作在比較良好的工作環境下，而不是工作在最糟糕的情況下。
BRIC矩陣兩個X觸點之間的總的通道電阻由另外的部件構成，這些部件又會增加BRIC系統的功率損耗。首先兩個獨立的繼電器通電形成一個回路，這些繼電器物理位置上是分開的，并且不在一個封裝內。熱量(功率)損失位于該設計的兩個不同點上。另一個損失的源頭是，PCB板上的布線電阻會增加設計板上的交叉點上的溫升作用。子板卡和底板之間連接器的接觸電阻也是功率損失的一個原因，但是，它相對于其它原因產生的功率損耗要小得多。
上述所有案例中，BRIC在進行轉換時的熱量損失都僅僅和負載電流相關，同轉換模塊的“功率“無關。如果負載電流低于模塊所能承受的額定電流，那么熱量（功率）損失就會降低很多（可以使當前的功率損耗減小一半）。
BRIC模塊設計，避免了由自身產生的熱量的最壞影響，而這些影響包括線圈驅動和觸點的功率損耗。在實際應用中，BRIC模塊會在比較好的環境下工作。
總結
BRIC模塊在很多種溫度變化的環境下進行過測試，而不僅僅是對實際應用的環境下進行測試
BRIC模塊的使用方式，是在任何時候都只需要一定數量的繼電器閉合
BRIC模塊的功耗一般情況下要遠低于PXI底板上的其它模塊
提供的軟件驅動器可以在任何情況下控制繼電器的閉合數量，從而控制電流消耗
每個BRIC模塊都包含了可重置的保險絲，該保險絲可以用來保護底板在過多觸點閉合時發生的誤操作下不受到損壞
