四月刊 | 開關廠商面臨著滿足帶寬需求的挑戰
隨著智能城市、智能工廠和物聯網的興起，開關係統製造商正面臨越來越大的壓力，要求他們的設備適應基於連接的應用程序。開關是任何自動化測試系統的關鍵部分，則技術創新部分，從系統和子系統擴展到芯片和繼電器的組件級。
在自動化測試中切換能夠有效地與被測試設備共享測試資源。這是一個簡單的概念，但許多小因素有助於決定哪個切換系統最適合每個應用程序或單個任務。選擇一個開關係統：無論是用於測試和測量儀器、軍事設備、通信系統、汽車電子設備還是醫療設備，對工程師來說都是一個挑戰。這就是供應商的切入點，準備好幫助決策過程。一旦選擇了開關係統，供應商將能提供及建議越來越多地增加附帶的軟件，以幫助最大化系統的功能和潛力。
Bob Stasonis 是Pickering Interface公司的產品技術專家，以及PXISA（PXI聯盟）主席的身份，將會在下面內容談到幾個影響高密度開關係統的關鍵因素。
複雜電子控制單元（ECU）在所有電子行業的需求增長(特別是汽車、航空航天和半導體製造業), 以及大環境的Time to Market時間縮短，使得Real Time HIL系統對這些ECU進行自動化功能驗證變得越來越重要。大多數HIL系統中的關鍵流程是自動故障模擬，Pickering Interface看到了對高密度故障插入開關的日益增長的需求，以解決高IO計數ECUs。 （特別在汽車和航空航天工業中最長使用）。
Bob提及到Pickering總是被顧客推到開關密度的極限挑戰, 高密度開關的新趨勢包括帶寬的增加，在一些市場，特別是半導體行業，我們正在努力提高隔離電阻。目前我們的平均大於109Ω隔離電阻規範。我們的一些BRIC高密度矩陣測量結果是大於1011Ω.”
Trending 趨勢
我們在Evaluation Engineering諮詢了一些領先的電子測試和測量儀器供應商，詢問他們對高密度開關係統的最新趨勢有什麼看法，或者預計在未來1-2年內會有什麼看法。以下是他們在最近的新聞發布會上對我們說的話:
Bloomy首席技術官Grant Gothing：
“針對大型航空航天和汽車應用的HIL測試，使原始設備製造商和航空航天製造商能夠更迅速地開發和驗證新的硬件和軟件設計，以適應被測試單元認為它在真實世界中的場景。 HIL測試的很大一部分是實時模擬（Real-Sim）開關和故障注入。Real-Sim開關是指每個IO點必須能夠在模擬的模型驅動信號和真實組件(執行器、傳感器、控制器等)之間進行物理切換。故障注入切換需要注入各種故障(斷開連接(斷線)、短跨銷釘、反向極性、短對地、短對軌、短對相鄰信號)，以確保被測單元作出適當反應。這些需求的結果是大量的開關。每個簡單的2線模擬信號可能需要6-12個繼電器才能夠注入所有的故障排列和real-sim連接。提高開關密度和可擴展性對開發大型汽車和航空航天HIL測試系統至關重要。
Marvin Test Solution 市場部總監Dewey：
“整體來說，我們看到高密度的交換系統繼續向無纜接口遷移，比如MAC Panel SCOUT。高密度的交換系統，也需要高密度的I/O，正在從有線接口轉移到無電纜接口— —必須確保足夠的性能以及提供健壯/可靠的接口。客戶也在要求更多的通道，這促使繼電器卡供應商尋找佔地面積更小的繼電器，並確定更高密度的I/O連接器— —這對3U PXI形式的因素尤其具有挑戰性。”
[MTS GX7017 Genasys Switching/Digital Subsystem with SCOUT 6U Receiver]
Tektronix的應用工程師Josh Brown:
“關於開關和數據採集的趨勢，我們看到許多相同的電壓、溫度和電阻的基本測量需求，這為其他一些見解奠定了基礎。更強大的ASIC設備使儀器固件工程師能夠構建增強的功能，例如在給定儀器的用戶界面上顯示更詳細和更有洞察力的數據。隨著對更高容量應用程序的需求增加，客戶將重點放在提供更大的切換通道計數和更快的切換速度的解決方案上。”
Universal Switch營銷副總裁Norton Alderson表示:
“我們看到，幾乎所有開關技術領域都在不斷推進。一些是由客戶的需求和要求主導的，而另一些是由新引入的技術主導的。這包括更高的開關密度能力，以及關鍵的性能規範，如更高的頻率範圍、更高的隔離和低熱需求，包括更智能的控制能力．
Trade-offs 權衡
為了支持更高的密度，供應商通常必須在其他交換性能上做出犧牲，比如降低信號幅度或頻率的限制。
Pickering公司的Stasonis談到在比較高密度設計和低密度模型時，有很多因素需要考慮。比如需要更大的板空間的VXI模塊，將導致更長的信號走線，這將增加路徑電容並最終降低帶寬。
他補充說，由於PCB走線較短，因此PXI等形狀因子中的較高密度將表現出更好的帶寬，但缺點是彼此距離較近的元件會增加串擾的可能性。此外，在非常高密度的設計中，PCB軌道通常彼此更接近，因此隔離電阻也更低。選擇的繼電器也會影響隔離電阻。
“高開關密度也可能導致較低的冷熱開關電壓，主要是因為如前所述，非常密集的配置中的較高電壓會因其他設備的接近而表現出增加的串擾，”Stasonis說。 “因此，製造商降低了冷熱規格，以便更好地管理這種串擾。”
Stasonis接著詳細闡述了高密度交換系統中權衡的整體概念，以及他的公司如何提供客戶特定的交換解決方案，而不必僅通過提供一個平台選項來進行權衡。
“基本上，更大的電路板空間，即VXI，自然能帶來比PXI更好的性能，這是不正確的，”Stasonis說。 “每種設計都有其權衡。所需的應用和規格應規定是否需要高密度或低密度設計。這是Pickering有這麼多選擇的原因之一;我們是一家不受任何特定架構約束的交換解決方案公司。推薦正確的平台，滿足客戶的需求，而不是讓客戶硬把特定的平台硬塞進他們的系統設計中。如果應用需要更高的密度，更高的功率或電壓，就不會將性能合理地容納在PXI模塊上，我們能夠在LXI系列產品中提供更大的外形尺寸解決方案。
以下是其他供應商對權衡取捨的看法:
Brown，Tektronix：在Tektronix的Keithley部門
我們解決了幾年前固態開關的需求，但更多的是為需要更快切換速度的客戶提供服務，以便在更短的時間內更好地實現質量測量。這有助於在某些情況下提高吞吐量潛力，例如生產環境中的功能測試，其中僅靠密度不能完全滿足客戶的需求。交換機系統製造商可以通過利用硬件中可用的不同觸發方法來解決更大的交換密度（通常是更多信道）的一種方法。這可以允許用戶以菊花鏈方式連接多個單元以增加順序通道關閉;或者當速度或時間更為關鍵時，讓它們並聯/觸發。
“當將新的開關選件（卡或模塊）集成到現有的主機中時，設計人員將考慮如何最好地優化PCB空間，以適應更小的開關器件，走線傳輸/開關電流以及功耗和散熱。涉及的任何/所有組件.
Ametek可編程電源營銷總監Jon Semancik：
“固態開關具有開關速度和壽命等優勢，但其他關鍵操作參數（如帶寬和漏電流）繼續限制其在某些高性能應用中的使用。
Universal Switching Corporation, Alderson說到:
“密度總是存在權衡。除非密度極端，否則權衡通常不是性能，而是以較高的成本實現低密度解決方案的性能。額外的成本來自於使用更高性能的元件，額外的屏蔽，高性能PCB材料和其他封裝增強功能。“
Other factors 其他因素
雖然測試系統的佔地面積很重要，但其靈活性，可靠性和成本也很重要。以下是供應商說明他們公司提供的權衡建議，以及他們對與更大外形或更高密度技術相關的性能優勢的看法。
“性能優勢取決於應用，但一般而言，更高密度的開關係統具有更短的信號路徑，以實現更好的信號完整性和信號路徑中更低的電容。然而，在不利方面，高密度開關產品可能會導致更低的隔離電阻規格。使用的開關模塊也會影響性能。例如，如果通過將多個模塊連接在一起來創建高密度矩陣，則佈線會影響整體性能，因為增加了信號路徑的長度並增加了所用佈線的電容。使用像Pickering BRIC這樣的開關模塊，其具有以獨特形式/因子互連開關模塊的內部總線，將提供更好的模擬性能。 Y軸上的智能隔離繼電器可最大限度地縮短短截線長度，從而有助於高頻信號的完整性。“
Brown，Tektronix：“關於降額，用戶應特別注意掃描速率周圍的規格細節。雖然核心萬用表規範傾向於關注最佳默認系統設置，以提供對可能的最高質量讀數的洞察，但切換會影響質量。我們盡最大努力確保客戶了解在掃描/切換速率較高時可能需要權衡利弊。為了獲得更高的速度，我們可以禁用測量自動延遲和自動調零，或減少測量孔徑時間。這將有助於加速數據採集，但增加了信號噪聲未被讀取的可能性。在這個設備空間當中，取得成功的關鍵是靈活性和降低每個渠道的成本。“
Semancik，Ametek：“可用於切換解決方案的物理空間直接受所使用接口的影響。例如，PXIe對於卡的實際開關空間，只能使用非常有限的區域，因為空間必須可用於數字接口和控制。另一方面，LXI根據製造商的設計標準提供更多空間。比如串擾和信號隔離等參數也都會直接受到基於PC的架構中的空間減小所影響。軌蹟之間的間距減小以及地平面放置等其他設計特徵肯定會影響帶寬和噪聲。因此LXI的大空間，也自然而然有了優勢。
Gothing，Bloomy：“Bloomy的HIL仿真係統解決方案基於模塊化架構，使用充滿儀表和開關卡的機箱。通過使用這種模塊化架構，Bloomy的HIL仿真平台可以向上或向下擴展以滿足客戶需求。此外，通過混合和匹配具有不同結構的卡，可以調整交換架構以滿足客戶目的。“
Now on the market 現在的市場環境
固態開關和超小型繼電器的功能不斷增加，從而可以實現更加密集的開關組件。對於交換儀器供應商而言，這需要不斷進行技術改進並利用它們來開發新的密集交換解決方案。
Pickering interface（PI）提供高密度的測試和仿真產品，則 Pickering Electronics（PE）是PI的姐妹公司，提供最新的開關組件。 PE開發製造微型中電流簧片繼電器，其最新型號為120系列，Pickering技術總監Stasonis稱其為業內最小的1安培通孔繼電器(長3.9mm，寬3.9mm，高15.5 mm)。 Stasonis說:“與Pickering之前的密度最高的1A開關相比，這使得電路板上的繼電器數量幾乎增加了一倍，為我們的客戶提供了強大的功能。”Pickering簧片繼電器還包括Mu金屬磁屏蔽，以確保設備之間沒有乾擾，主要為這種距離小的封裝開關在板子上大量使用。
Stasonis說:“這對我們來說非常很重要，因為我們提供的許多應用程序都是為了“重要關鍵任務”——它們絕對不能失敗，出錯！”
使用新系列120繼電器的第一款Pickering Interface產品是超高密度，大型PXI矩陣模塊，40-559系列BRIC，在PXI模塊中提供多達4,096個交叉點。與Pickering之前的1A BRIC 40-562A相比，559的切換密度幾乎是切換密度的兩倍（1.94x）。除了密度之外，120系列還具有優於其他類似尺寸繼電器的優勢，即電流額定值高出四倍。這些PXI矩陣提供2插槽，4插槽或8插槽PXI尺寸，可將完整的功能性ATE系統安裝在單個3U PXI機箱中。
2018年，Pickering推出了2A PXI故障插入切換模塊，可提供11或22個信號對通道。這些模塊主要用於模擬汽車和航空電子測試應用中的故障情況，包括安全關鍵控制器的可靠性測試。 Pickering最近還推出了65-221型高密度模塊化LXI以太網幹簧繼電器矩陣，該矩陣最初設計用於測試晶圓和封裝級別的半導體。該解決方案將Pickering最新的LXI機箱與其新的插件矩陣相結合。
Marvin Test Solutions剛剛為其GENASYS開關係列推出了一個附加模塊–GX6188，它具有完整的8×104矩陣，以及一個額外的8×8矩陣，便於多個開關卡的“聯合”以創建更大的矩陣。該卡可作為6U PXI系統的一部分或作為GENASYS系統的一部分進行集成。 MTS的Dewey指出，GENASYS架構通過結合稱為SwitchEasy的端到端交換軟件解決了靈活性和可靠性的因素，該軟件簡化了從儀器資源到被測單元（UUT）的信號路由，並防止了路由或連接可能損壞系統或UUT的信號。此外，GENASYS子系統包括板載電路，用於計數和記錄繼電器閉合的總數，提供預測繼電器壽命的預測數據
虹科電子科技有限公司 台灣辦事處 – 代理PXI設備：Pickering Interface及Marvin Test Solutions
