Architektur und Design des programmierbaren Netzteils NI PXI-4110

Überblick

In den letzten 20 bis 30 Jahren sind programmierbare Netzteile zu ganz selbstverständlichen Komponenten automatisierter Systeme geworden. Allerdings erlaubte der Aufbau eines Geräts meist nur ein oder zwei einfache Betriebsarten: einfaches Schalten oder lineares Regeln. Wie auch bei jeder Produktentwicklung müssen bei der Auswahl des Designs Kompromisse eingegangen werden. Sowohl einfaches Schalten als auch lineares Regeln können auf Kosten der Leistung gehen. Die Entwicklung eines PXI-Netzteils mit dem Formfaktor 3HE erfordert jedoch einen neuen, innovativen Ansatz. Dieses Dokument diskutiert die Designeigenschaften des mehrkanaligen, programmierbaren DC-Netzteils NI PXI-4110 sowie die einzigartige Kombination von Schaltungen, linearer Regelung und softwaredefinierter Hardware, die das Design in einem kleinen Formfaktor ermöglicht.

Inhalt

Lineare Regler und Schaltregler im Vergleich

Die ersten Designs programmierbarer Netzteile konzentrierten sich auf die lineare Regelung, um eine stabile Ausgangsspannung zu liefern. Häufig setzten diese Leistungstransistoren im linearen (Klasse A) Betrieb Feedback ein und legten so die Ausgangscharakteristik fest. Basierend auf einem recht einfachen Designkonzept haben lineare Netzteile den Vorteil, dass sie sehr genau geregelt werden können, wenig Welligkeit und Rauschen aufweisen und hervorragend auf Änderungen von Lasten reagieren. Aufgrund einiger Nachteile – großer Formfaktor, niedrige Effizienz (von 5 bis 60 %) und daraus resultierende hohe Verlustleistung – ist ihr Design jedoch ungeeignet für PXI-basierte Netzteile. Zwar sorgt die PXI-Spezifikation für ca. 20 W Kühlung pro Steckplatz, doch das reicht oft nicht für die benötigte Ausgangsleistung von ATE-Systemen.

Eine weit verbreitete Methode, Prüfsysteme präzise mit Strom zu versorgen, regelt das Netzteil durch schnelle Schaltvorgänge (Switching). Dabei werden Transistoren schnell ein- und ausgeschaltet, wobei das Tastverhältnis die Ausgangsspannung bestimmt. Infolgedessen legt die zeitliche Ansteuerung des Transistors die Präzision der Ausgangsspannung fest. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie viel effizienter (oft ca. 65 bis 90 %) ist als eine lineare Vorgehensweisen und deshalb viel bessere Designs ermöglicht. Auch das typische Gewicht jeder Komponente ist viel geringer, so dass die Größe des Gerätes im Rahmen bleibt. Das optimale Einschwingverhalten ist bei dieser Variante meist schwieriger zu erreichen, und auch elektromagenische Interferenzen der Schaltungskomponenten müssen berücksichtigt werden. Selbst wenn man also die erwähnten Faktoren zusammennimmt, ist es schwer, es mit dem niedrigen Ausgangsrauschen und der Geschwindigkeit, die mit linearen Designs möglich sind, aufzunehmen.

Design in einem 3HE-PXI-Modul

Wie lässt sich ein hocheffizientes Netzteil auf extrem kleinem Raum entwickeln, das alle hohen Anforderungen von Kunden erfüllt? Die räumlichen Beschränkungen eines PXI-Moduls mit einem Steckplatz im Hinblick auf die Stromversorgung lassen nicht viel Platz für große Kühlkörper und verlustbehaftete Transformatoren. Ingenieure von NI kombinierten die traditionelle Methode mit linearem Ausgang mit einem modernen FPGA-gesteuerten, vorregulierenden Schaltkreis, um diese Einschränkungen zu überwinden.

Moderne Schaltnetzteile haben sich gegenüber den früher eingesetzten, bis zu 15 kg schweren Netzteilen erheblich verbessert. Aus technischer Sicht wird die geringe Größe bei Netzteilen v. a. durch die Schaltgeschwindigkeit vorgegeben. Allgemein gilt, je höher die Schaltgeschwindigkeit, desto kleiner die Komponenten. Mitte bis Ende der 1980er Jahre experimentierten Forscher u. a. am Massachusetts Institute of Technology mit dem Konzept von 1-MHz-Schaltwandlern, -verstärkern und -reglern. In den letzten fünf Jahren jedoch hat diese Technologie die damaligen Erwartungen sogar noch übertroffen. Allerdings kehrt sich dieser Vorteil um, wenn die Schaltelemente so verlustbehaftet sind, dass jede Verbesserung bei der Größe der Komponenten durch die Notwendigkeit zur Kühlung zunichte gemacht wird. Aber auch hier hat sich in den letzten zehn Jahren viel getan. Die Kombination mit neuen integrierten Schaltkreisen in den Controllern von Netzteilen bereitet den Weg für effiziente, leistungsstarke und leise Netzteile, die ihre veralteten, unhandlichen Vorgänger ablösen.

Bisher bringt diese technologische Entwicklung jedoch nur quasi-geregelten Strom. Zusätzlich gibt es immer noch technologische Herausforderungen, wie etwa die Möglichkeit, die Ausgangsspannung auf 0 V einzustellen, Ströme im Bereich von Mikroampere bis Amperes zu messen, schnell auf Laständerungen und Eingangssignale zu reagieren usw. Am besten lassen sich diese Probleme mit traditionellen linearen Schaltkreisen lösen. Zusätzlich wird dabei das Rauschen minimiert. Die beste Gesamtlösung wäre demzufolge eine Kombination von Linear- und Schaltreglern.

Darüber hinaus kommen auch Standardverstärker der Klasse D für Hochleistungsnetzteile in Frage. Allerdings fanden NI-Ingenieure heraus, dass dies zwar innovative Geräte für Audioanwendungen sind und etwa Lautsprecher effizient versorgen, aber nicht ausreichen, wenn Präzisions-DC-Ausgänge gefragt sind. Diese Einschränkungen wiegen die potenziellen Vorteile sogar auf.

Schaltungsregelung mit linearem Ausgang

Das programmierbare DC-Netzteil NI PXI-4110 mit drei unabhängigen Ausgängen kombiniert Linear- und Schaltnetzteiltechnologie, indem das Schaltelement als Regler konfiguriert und noch genügend Aussteuerungsreserve für den Ausgang bereit gehalten wird. Das Resultat ist ein Modul mit zwei durch galvanische Trennung isolierten Kanälen (0 bis +20 V bzw. 0 bis -20 V) sowie einem nicht isolierten Kanal von 0 bis 6 V. Alle drei sind in der Lage, Ströme bis zu 1 A pro Kanal zu treiben. Diese grundlegenden Ausgangsspezifikationen des programmierbaren Netzteils PXI-4110 werden durch ausgezeichnete Auflösung und niedriges Rauschen ergänzt.

Die lineare Ausgangssteuerung des PXI-4110 wird in Abbildung 1 dargestellt. Das Herzstück des Linearverstellers bildet der Operationsverstärker LT1970 von Linear Technologies mit einstellbarem Präzisions-Stromgrenzwert. Der Einsatz dieses Bausteins bringt der Implementierung von PXI-Netzteilen verschiedene Vorteile. Dazu zählen vor allem die geringe Baugröße und der während des laufenden Betriebs einstellbare Stromgrenzwert, der besonders nützlich für ATE-Anwendungen ist. Traditionell wurde dieser als "U/I-Steuerblock" bezeichnet, da am Ausgang eine Konstantspannung oder ein Konstantstrom eingestellt werden konnte, abhängig von den Eingangseinstellungen und der Ausgangslast. Implementiert wurde das Netzteil mit Operationsverstärkern, Dioden und Schutzwiderständen. Dieser U/I-Steuerblock bildet ebenfalls das Herzstück traditioneller Source-Measure Units (SMUs). Die Verwendung des U/I-Steuerblocks LT1970 verleiht dem PXI-4110 also ein SMU-ähnliches Verhalten.



Abb. 1: LT1970 von Linear Technology bildet das Herzstück des PXI-4110-U/I-Steuerblocks.


Da höhere Werte für Ausgangsspannung und -strom erforderlich waren als der LT1970 bereitstellen konnte, wurde eine anloge Schaltung entwickelt, die den Ausgangsbereich erweitert. Daher war es notwendig, sowohl die Ausgangssteuerung als auch die Messung auf diese Art zu skalieren. Abbildung 2 zeigt die Blöcke, die die Arbeitsweise dieser Schaltung verdeutlichen. Dafür mussten mehrere kritische Details bedacht werden:

  • Der Ausgang muss 0 V erreichen können.
  • Sowohl Spannung und Strom muss bis zu 0 V gemessen werden können, einschließlich Leckströmen unterhalb des Mikroamperebereichs.
  • Von jeder Ausgangslast oder Kapazität muss genügend Strom gezogen werden, um gute Reaktionszeiten zu erzielen, auch nahe 0 V.
  • Auch Überspannung am Eingang muss toleriert werden.




Abb. 2: Die lineare Regelung ist dafür konzipiert, auch sehr niedrige Spannungen und Ströme zu liefern und zu messen.


Der LT1970 fungiert als Operationsverstärker, um die diskreten Ausgänge zu treiben und die erforderlichen skalierten Ausgangsspannungen zur Verfügung zu stellen. Wenn ein diskretes MOSFET-Ausgangselement für jeden Kanal verwendet wird, übersteigt der Ausgangsstrom die Fähigkeiten des LT1970 um mehr als das Zehnfache bei der dreifachen Spannung. Ebenso wird eine Kombination aus Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker und FET dazu genutzt, die Spannung an den Strom-Shunts auf den Bereich des LT1970 zu bringen. Das Ergebnis ist eine schnelle Steuerschleife, die über einen großen Lastbereich hinweg ausgezeichnetes Einschwingverhalten und Stabilität bietet. Diese Anordnung ist auch für einen hohen Dynamikbereich und niedriges Rauschen optimiert, so dass er Spannungen bis 0 V und Strom unterhalb von Mikroampere erfassen kann.

Auf dem nicht isolierten Kanal 0 ist der Schaltwandler ein Auf- und Abwärtswandler des Typs LT1773 von Linear Technology, der seinen Ausgang dynamisch regelt. Der Steuerausgang von Kanal 0 wird mittels Signalkonditionierung an den LT1773 zurückgegeben, so dass der Ausgang des LT1773 ein paar Zehntel Volt über dem Ausgang von Kanal 0 liegt. Daraus ergibt sich ein extrem energieeffizientes Schaltungsdesign mit allen Vorteilen eines linearen Reglers.

Wird die Regelung direkt mit dem oben beschriebenen Ausgangsverstärker kombiniert, ist auch der nicht isolierte Kanal abgedeckt. Für die isolierten Kanäle 1 und 2 besteht der Schaltungsregler aus einem relativ einfachen Hochleistungs-DC/DC-Wandler, der bei etwa 200 kHz arbeitet. Das Steuersignal für den Wandler wird von einem FPGA synthetisiert und variiert somit das Tastverhältnis der Schalt-MOSFETS. Der FPGA bietet den Vorteil des intelligenten Soft-Starts, der den von der PXI-Backplane gezogenen hohen, transienten Strom dämpft, so dass das Netzteil PXI-4110 innerhalb der PXI-Spezifikation bleibt.

Da es bei den isolierten Kanälen aufgrund der galvanischen Trennung keinen direkten analogen Feedback-Pfad zum Schaltungsregler gibt (s. Abb. 3), existiert ein isolierter A/D-Wandler und ein isolierter Datenpfad für diese Kanäle, um Strom und Spannung auszulesen. Der A/D-Wandler überwacht Ausgangsspannung und -strom ununterbrochen. Wenn er also so geschaltet werden kann, dass er auch die Stromversorgung des linearen Ausgangsverstärkers mit erfassen kann, ist es möglich, dieses Signal als isoliertes Feedback zu nutzen. Der FPGA kann dann auch verwendet werden, um das Tastverhältnis der FET-Steuerung der DC/DC-Wandler zu modulieren, so dass er quasi einen digital gesteuerten Software-in-the-Loop-PID-Algorithmus bereitstellt, um den vorgeregelten Eingang des Linearverstellers zu steuern. All dies kann mithilfe von Komponenten realisiert werden, die bereits anderweitig für das Design benötigt wurden. Das Resultat ist ein kosteneffizientes, flexibles Design in einem 3HE-PXI-Modul, das mit geänderten Anforderungen an das Netzteil entsprechend skaliert werden kann.


Abb. 3: Die nicht isolierten Kanäle des PXI-4110 nutzen A/D-Wandler, um die Elemente für die Vorregelung der Schaltung über denselben Datenpfad wie Strom oder Spannung zu steuern.


Der Einsatz dieser per Software konfigurierbaren Regelschleife hat mehrere Vorteile. Erstens ist es möglich, vorauszusehen, wo der Vorregler sein muss, bevor der Ausgangsverstärker versucht, dorthin zu gelangen. Abbildung 4 zeigt, wie wichtig es ist, dies richtig zu implementieren. Zweitens kann dies zur Optimierung der Systemeffizienz genutzt werden. Und schließlich kann man den Regelalgorithmus so fein einstellen, dass er die Leistung optimiert, je nachdem ob der Eingangsstrom von der PXI-Backplane oder einer externen Quelle kommt. Es ist wichtig, die Energie von der PXI-Backplane sorgfältig zu verwalten, um die PXI-Energiespezifikationen für das gesamte Produkt einzuhalten.



Abb. 4: Der auf dem FPGA im PXI-4110 implementierte PID-Regelalgorithmus analysiert und passt alle Änderungen bei Last oder Eingangsstrom an, um sicherzustellen, dass der Ausgang des Vorreglers für den Linearversteller ausreichend ist.


NI-Ingenieure fanden heraus, dass es nicht ausreicht, nur die Spannung zu regulieren. Stattdessen stellten sie fest, dass die optimale Reaktion erfolgt, wenn die Energie geregelt wird, die im linearen Regler verloren geht. Die Gründe dafür werden in Abbildung 5 dargestellt. Unter leichter Last und bei niedrigem Tastverhältnis tendieren DC/DC-Wandler dazu, sich eher wie Strom- als wie Spannungsquellen zu verhalten. Wird eine plötzliche Last an den Ausgang einer Stromquelle angelegt, sinkt der Ausgang rapide ab. So ist bei der Spannung eine Aussteuerungsreserve erforderlich, damit der PID-Algorithmus Zeit hat zu reagieren. Dies wird durch Energieregelung möglich, welche die Aussteuerungsreserve bei der Ausgangsspannung unter leichter Last automatisch erhöht.



Abb. 5: Die Energie wird auf dem PXI-4110 geregelt (im Gegensatz zur Spannung), um starke Laständerungen zu kompensieren. Dabei wird jederzeit ausreichend Austeuerungsreserve vorgesehen, um Konflikte zwischen dem Vorregler und der Ausgangsspannung zu vermeiden.


Ein weiteres Beispiel für diese Flexibilität ist die Optimierung der Energie, die von der Eingangsstromversorgung bezogen wird, in diesem Fall der PXI-Backplane. Da die Energie von einem PXI-Chassis begrenzt ist, muss eine zusätzliche Energiequelle für Anwendungen über 9 W verfügbar sein. Allerdings ist für eine Vielzahl von Anwendungen eine maximale Leistung von 9 W ausreichend. Bei dieser Methode werden vorgegebene PID-Werte (auf dem FPGA) anstelle einer zusätzlichen Stromquelle für die Stromversorgung von der PXI-Backplane genutzt. Wird mehr Energie gebraucht, als die PXI-Backplane liefern kann, ändert man diese vorgegebenen PID-Werte, um einen besseren Kompromiss zwischen Effizienz und Verhalten zu erzielen.

Das Design des PXI-4110 nutzt die grafische Programmiersprache LabVIEW, um die Software-PID-Regelung zu simulieren und den Code für die Ausführung auf dem FPGA in VHDL zu übersetzen. Dies verleiht Anwendern hohe Flexibilität, so dass sie auf wechselnde Anforderungen schnell reagieren können. Um beispielsweise zu garantieren, dass der vorgeregelte Ausgang auf die Änderung seiner Eingangsgröße reagieren kann, wurde der PID-Algorithmus standardmäßig auf ein Tastverhältnis gesetzt, das die gesamte Ausgangslast von 1 A in einer voreingestellten Anzahl von Taktzyklen unterbringen kann. Wenn also der Ausgang die volle Stromstärke erfordert, gibt es am linearen Ausgang immer genug Aussteuerungsreserve dafür. Der Regelblock mit seinen besonderen Eigenschaften wäre ohne LabVIEW als Simulator nur schwer zu synthetisieren.

20 mA Strombereich für Präzisionsanwendungen

Eine häufige Anfrage von Kunden an Hersteller von Netzteilen ist die Empfindlichkeit bei Strommessungen im Bereich unterhalb eines Mikroamperes. Traditionelle Netzteile können kaum unter ein paar mA messen. Deshalb sahen sich Kunden bei solchen Aufgaben gezwungen, SMUs oder andere Messprodukte zu nutzen, die 2- bis 3-mal soviel kosten wie ein Netzteil. Gleichzeitig standen sie vor der Herausforderung, zusätzliche Produkte ins System zu integrieren, möglicherweise mit Schaltern und anderen Komponenten, was die Systemkosten weiter in die Höhe treibt. NI-Ingenieure ergänzten deshalb den PXI-4110 um einen 20-mA-Bereich, um so die Empfindlichkeit unterhalb einem Mikroampere bereitzustellen. Dadurch stehen eine Ausgangsauflösung und Empfindlichkeit der Rückessung zur Verfügung, die 100 bis 1000 Mal höher ist als bei herkömmlichen Netzteilen. Systemkosten, Zeitaufwand für die Inbetriebnahme und Platzbedarf werden dadurch deutlich reduziert. Anwendungen liegen im Bereich hochempfindlicher Strommessungen wie z. B. die Charakterisierung von Halbleitern, Kennlinienaufnahmen und Leckstrommessungen in batteriebetriebenen Systemen.



Abb. 6: Dieses Diagramm vergleicht die Stromempfindlichkeit von herkömmlichen Netzteilen mit einem PXI-4110 und traditionellen SMUs. Das PXI-4110 bietet eine Empfindlichkeit zwischen der von herkömmlichen Netzteilen und SMUs, kostet allerdings nur etwa so viel wie ein traditionelles Netzteil.

Vergrößerung des Ausgangsstroms eines PXI-4110

Während der Marktforschung zum PXI-4110 stellte sich heraus, dass viele Anwendungen nur wenige Watt an Ausgangsstrom brauchen – diesen kann die PXI-Backplane leicht zur Verfügung stellen. Die meisten Kunden wollten für diese Anwendungen keine externe Stromquelle heranziehen. Andererseits reicht der Strom von einem einzigen PXI-Steckplatz nicht für Anwendungen aus, die mehr als 10 W brauchen. Daher wurde die zusätzliche Stromquelle NI APS-4100 als Zubehör für den PXI-4110 entwickelt, um auch Anwendungen mit höherem Strombedarf zu bedienen.

Das frühere Entwicklungsstadium zeigt, dass die Unterstützung von zwei Stromquellen für dieses Gerät keine einfache Aufgabe werden würde. Wenn etwa Strom von der externen Quelle gezogen wird und diese plötzlich ausfällt, wäre der resultierende Stromstoß von der PXI-Backplane zu hoch für die PXI-Spezifikation (und würde sogar Schutzsicherungen überfordern). Hier wäre geeignete Hardware und Regelsoftware nötig, um Bedingungen auszuschließen, die zu hohe Energie von der PXI-Backplane ziehen oder auf sie anwenden können. Abbildung 7 veranschaulicht dieses Konzept.



Abb. 7: Der Eingangsstrom für PXI-4110 kommt entweder von der PXI-Backplane oder einer externen 11-15,5-V-Quelle.

 

Schutz der Ein- und Ausgänge des PXI-4110

In ATE-Systemen und Laborumgebungen müssen programmierbare Netzteile sehr robust sein. So können Ausgänge von Netzteilen bei der Fehlerbehebung innerhalb von ATE-Systemen versehentlich falsch angeschlossen oder Messungen in Laborumgebungen falsch vorgenommen werden. Deshalb wurde PXI-4110 dafür ausgelegt, eine Vielzahl von Überlastbedingungen zu tolerieren. Im Folgenden werden die wichtigsten Schutzelemente des PXI-4110 zusammengefasst:

  • Schutz der Kanalausgänge: Jeder Kanal besitzt programmatisch einstellbare Grenzwerte für Strom und Spannung. Darüber hinaus ist jeder Ausgang gegen die Umkehrung der Polarität der Spannung geschützt. Eine Sicherung am Ausgang dient als zusätzlicher Schutz, um auch im Fall der Fälle Fehler mit schwerwiegenden Folgen zu verhindern. Eine Ersatzsicherung ist im Lieferumfang enthalten.
Jeder Ausgang ist außerdem gegen externe Überspannung geschützt, so dass bis zu 15 V über der maximalen Kanalspannung toleriert werden können. So können beispielsweise Kanäle für 20 V insgesamt 35 V tolerieren, die von außerhalb an das Modul angelegt werden. Der 6-V-Kanal besitzt noch einen weiteren Schutz. Da sein Ausgang auf 6 V beschränkt ist, schließen an Kanal 0 angelegte Überspannungen alle Ausgänge und erzeugen eine Warnung an den Anwender.
  • Zusätzlicher Schutz der Stromquelle: Eine zusätzliche Stromquelle ermöglicht, dass Kanal 1 und 2 (+20 V und -20 V) jeweils bis zu 20 W liefern. Da PXI-4110 die Verwendung eines externen Netzteils unterstützt, müssen entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, um das Modul zu unterstützen.
Der Betriebsspannungsbereich für die zusätzliche Stromversorgung beträgt 11 bis 15,5 V. Werden Spannungen außerhalb dieser Grenzen erkannt, schaltet sich das Modul ab, bis die Spannung wieder im vorgesehenen Bereich liegt. Werden am Eingang mehr als 20 V angelegt, schaltet sich der Überspannungsschutz für den Eingang ein und führt zum Auslösen der Eingangssicherung. Dadurch werden Halbleiterrelais (und die vorregelnde Stromversorgung) vor Schäden durch Überspannung geschützt.
  • Schutz vor zu hohen Temperaturen: Aufgrund der intelligenten PID-Regelung der Ausgangsgeräte wurde PXI-4110 so konzipiert, dass es intern bei nominalem Temperaturanstieg funktioniert. Tritt ein Fehler auf, z. B. durch extrem verschmutzte Ventilatorfilter, blockierte Luftzufuhr oder Ausfall des Ventilatorfilters, schalten sich die Ausgangskanäle ab und eine Warnung wird ausgegeben. Im Falle einer überhöhten Temperatur muss der Anwender das Modul zurücksetzen, damit es nicht zu heiß wird.

Maximale Programmiergeschwindigkeit

In automatisierten Prüfsystemen kommt es bei allen Messgeräten hauptsächlich auf die Geschwindigkeit an. Von anderen Netzteilen hebt sich PXI-4110 vor allem aufgrund seiner Programmier- und Messgeschwindigkeit sowie durch den Kommunikationsbus ab.

Die Tatsache, dass ein PXI-4110 auf dem PXI-Bus basiert, sorgt für die Optimierung von Programmier- und Messgeschwindigkeit. Das Senden von Programmparametern und das Abrufen von Daten wird durch die Übertragungsrate des PXI-Busses von 132 MB/s erheblich erleichtert. Mit drei Kanälen, die jeweils Spannungs- und Stromwerte, Messparameter und Statusinformationen (Einhaltungsgrenzen, Warnungen, Fehler, Temperatur etc.) erfordern, kann die Datenmenge, die in beide Richtungen übermittelt werden soll, herkömmliche Buslösungen vor eine Herausforderung stellen. PXI kann diese Daten innerhalb von Mikrosekunden übertragen, wohingegen traditionelle Busarchitekturen (GPIB oder RS232) mehrere Millisekunden brauchen. Durch Software und Datenübertragung verursachter Overhead ist daher bei Verwendung eines PXI-4110 zu vernachlässigen.

Die Messarchitektur eines PXI-4110 ist auch aufgrund ihrer Geschwindigkeitsvorteile im Vergleich mit herkömmlichen Messmethoden bemerkenswert. Integrierte A/D-Wandlerarchitekturen werden traditionell bei Messungen im Bereich der Stromversorgung eingesetzt. Diese A/D-Wandler bieten zwar Vorteile in Bezug auf Rauschen, bieten aber kaum Möglichkeiten für die Optimierung der Geschwindigkeit, besonders, wenn sie in dynamischen Stimulus-Antwort-Geräten wie etwa Präzisionsnetzteilen und SMUs bereits integriert sind. Bei mehrkanaligen Netzteilen führen die langsameren A/D-Wandler zu erheblichem Overhead bei der Erfassung der Parameter, die den Status der Ausgänge definieren.

Abbildung 8 zeigt die Architektur eines PXI-4110, die der von Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystemen von National Instruments ähnlich ist. Bei den A/D-Wandlern handelt es sich um Konverter mit hoher Bandbreite, 200 kS/s und 16 bit – einer für den nicht isolierten Kanal und ein weiterer für die zwei isolierten Kanäle. Wie bereits erwähnt, kommen die A/D-Wandler sowohl für die Wiedergabe von Messungen als auch die PID-Regelung zum Einsatz. Die effektive Schleifengeschwindigkeit der Messung liegt im Bereich von 3 kS/s. Anders ausgedrückt gibt die Mess-Engine alle 300 µs sechs Messungen aus, nämlich Spannung und Strom für jeden der drei Kanäle (sowie die Daten der PID-Schleife). Das ist schnell genug, um die Einschwingzeit aller Kanäle gleichzeitig zu beobachten (Anstiegszeiten in der Größenordnung von Millisekunden), und sogar schneller als für die vom Anwender benötigten Stimulus-Antwort-Signalverläufe nötig.



Abb. 8: Die Messarchitektur von PXI-4110 ermöglicht eine schnelle Wiedergabe von Spannung/Strom auf jedem Kanal, bevor die Daten über die PXI-Backplane zurück an den Anwender übertragen werden.


Das optimale Rauschverhalten der Messung wird durch die Mittelung mehrerer Messungen erreicht. Standardmäßig werden durchschnittlich zehn Messungen gemittelt. Diese Zahl kann aber je nach Bedarf einer Anwendung angepasst werden. Die Daten werden mittels MEMS-basierter Hochgeschwindigkeits-Digitalisolatoren schnell über einen seriellen Datenpfad mit 10 Mb/s übertragen.

Fazit

Da in modernen automatisierten Prüfsystemen immer weniger Platz zur Verfügung steht und gleichzeitig immer mehr Leistung gefordert wird, müssen Netzteile innovativ entwickelt werden, um Schritt halten zu können. Das programmierbare DC-Netzteil PXI-4110 mit drei Ausgängen macht sich die besten Elemente von Schalt- und Linearstromversorgungsdesigns zunutze und bietet eine kompakte, hochauflösende Stromquelle, die in ein 3HE-PXI-Modul mit nur einem Steckplatz passt. Wird dieses Produkt zusammen mit anderen erstklassigen modularen Messgeräten im PXI-Formfaktor eingesetzt, bieten sich dem Anwender neue Möglichkeiten, um flexible, effiziente Prüfsysteme zu entwickeln, die jede Herausforderung in allen vorstellbaren Branchen bewältigen können.

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