Los equipos de test automático (Automated Test Equipment, ATE) se han construido históricamente con una arquitectura de alimentación centralizada. Las cajas ofrecían un número limitado de tensiones de alimentación estandarizadas, que a continuación se conectaban a cada tarjeta de test. Esta configuración resultaba efectiva y práctica ya que los circuitos de las tarjetas de los instrumentos no necesitaban elevados niveles de alimentación: en su mayoría, las tensiones estaban reguladas de forma lineal a partir de la tensión de alimentación más cercana, que se conectaba a cada tarjeta desde la fuente de alimentación de cada caja.Además, los primeros convertidores CC/CC eran caros, voluminosos, ruidosos y poco conocidos para los diseñadores de sistemas de alimentación.

Ante los mayores requisitos de las tarjetas de instrumentación desde el punto de vista de su número y la diversificación de canales y cargas, las arquitecturas de alimentación distribuida pasaron a ser una necesidad. Un dispositivo de alimentación más sencillo, centralizado y “voluminoso” suministraba una sola tensión CC superior regulada,generalmente 48V,a un sistema de distribución del backplane. Las tarjetas de test dedicaban una parte de su superficie a los convertidores CC/CC, generalmente en su periferia, y sus salidas se aproximaban mucho a las necesidades de los circuitos de medida.

La circuitería de test exige actualmente más potencia para su funcionamiento y sus requisitos de tensión/corriente cubren un amplio rango de valores.Al mismo tiempo, los instrumentos de test no solo necesitan potencia, sino también la capacidad de modular de forma precisa y rápida varios carriles de tensión con el fin de caracterizar por completo las particiones analógicas de un dispositivo sometido a test. El sistema de alimentación se convierte en una parte principal del ATE debido a los crecientes niveles de prestaciones y densidad de los diseños más avanzados de VLSI o SOC.

La tendencia hacia una “mayor densidad” y una “mayor dinámica” también resulta compleja a tensiones dentro del rango de 48V, ya que una corriente más elevada exige unas secciones de cobre de mayor tamaño en tarjetas con una mayor densidad de dispositivos. Actualmente se exploran nuevos conceptos como la arquitectura de alimentación factorizada y la distribución de 400V CC.

A continuación analizaremos cómo afectan los requisitos de las tarjetas de instrumentación y de los dispositivos sometidos a test a la arquitectura de alimentación distribuida en el sistema ATE, y los principales parámetros de diseño a tener en cuenta para optimizar la red de distribución en el bastidor de un ATE, entre varias tarjetas de instrumentación y hasta la circuitería de medida.

Consideraciones acerca del diseño de la red de alimentación distribuida
Tal como se ha señalado en el párrafo anterior y como se muestra en la Figura2, la alimentación centralizada se ha abandonado durante un cierto tiempo y la alimentación distribuida con distribución en el backplane es la práctica más extendida a día de hoy. Los sectores de las telecomunicaciones y las comunicaciones dedatos han venido utilizando esta técnica durante largo tiempo y en muchos aspectos afrontan los mismos retos que un ATE moderno. En realidad, muchos de los chips de silicio que los ATE necesitan verificar y caracterizar se implementan en sistemas de telecomunicaciones,informática y sistemas de enrutamiento que utiliza el sector de las telecomunicaciones para mover un creciente volumen de datos mediante redes cableadas e inalámbricas por todo el mundo. La similitud más llamativa entre ambos “mundos” es la necesidad de sistemas de alimentación densos y granulares, si bien con diferentes objetivos: rendimiento y flexibilidad para los ATE, coste total de propiedad para sistemas de telecomunicaciones y comunicaciones de datos.

Consideraciones acerca del diseño desde el punto de vista del sistema.
Lista de materiales
Objetivo: minimizar la lista de materiales.

Las listas de materiales de la alimentación distribuida se ven directamente afectadas por un parámetro principal: la tensión de distribución en el backplane. La simple consideración de las pérdidas de distribución debería determinar la elección de la sección de cobre.La principal preocupación para los ATE sería evitar los problemas de tipo térmico;por tanto,las pérdidas de distribución se deberían mantener dentro de un rango de valores fácilmente gestionable por el sistema de refrigeración existente. Además, si es necesario conectar en pleno funcionamiento las tarjetas de los instrumentos se deberían instalar en cada tarjeta los dispositivos apropiados de OR-ing. La Tabla1ofrece una orientación obtenida de los estudios realizados en centros de datos de telecomunicaciones. Si bien los ATE que necesitan más de 20kW son únicamente aquellos que soportan elevados grados de test en paralelo, está claro que los backplanes de 48V posiblemente hayan dejado de ser la mejor opción, y se espera un mayor aprovechamiento de los backplanes de 400V,con sus corrientes más bajas, cuando los 48V no sean suficientes.

Costes operativos, eficiencia y pérdidas, gestión térmica
Objetivo: optimizar el sistema de gestión térmica mediante el control de las pérdidas de distribución.
Hasta ahora nos hemos centrado en la distribución del backplane. Si bien la gestión térmica en el backplane no suele ser demasiado difícil, puede resultar bastante complicado controlar el sistema de alimentación de la tarjeta del instrumento. Además, los buses de alimentación en las tarjetas del instrumento ocupan un “espacio precioso” en la propia tarjeta. Por tanto, la elección más lógica es distribuir la tensión del backplane en la tarjeta lo más cerca posible de la carga, bien sea la circuitería de medida o un convertidor CC/CC incorporado. Como es natural, si se utiliza una baja tensión en el backplane — porejemplo, 12V–el cobre de la placa de circuito impreso no solo debería tener el tamaño adecuado sino también la refrigeraciónapropiada.

Un aspecto menos obvio es la dificultad de compensar con precisión las caídas de DC (I2R) y CA (L·di/dt) a medida que aumentan los niveles de corriente. Es posible que los diseñadores necesiten sobredimensionar los componentes de potencia del convertidor, así como añadir redes de filtrado y desacoplamiento con tensiones de alimentación distribuida inferiores a 48V.

Flexibilidad y granularidad
Objetivo: permitir el máximo grado de flexibilidad en el diseño y la configuración de la tarjeta de test.
Las tarjetas de instrumentos han de suministrar una variedad de cargas cada vez mayor. Por tanto, los sistemas de alimentación con componentes granulares proporcionan una ventaja considerable al diseñador. Una solución efectiva consiste en adoptar una arquitectura de bus intermedio, en la cual la tensión del backplane se ve reducida efectivamente a una tensión de bus más baja, “intermedia”, y a continuación se regula mediante un convertidor reductor síncrono de tipo estándar en el punto de carga.

Dentro del paradigma de la flexibilidad, la reutilización de un diseño se ha convertido en una opción habitual para aprovechar la estandarización en diversos sistemas de alimentación. Los diseñadores pueden “adquirir y personalizar”numerosos reguladores procedentes de un conjunto de diseños válidos para que se adapten desde un punto de vista eléctrico a determinadas cargas y colocarlos lo más cerca posible de las propias cargas para maximizar las prestaciones dinámicas.Los grupos de reguladores se alimentarían con un solo bus intermedio con el soporte de un convertidor de bus. Si bien una buena práctica de diseño conllevaría adaptar la potencia del convertidor en función de las necesidades del regulador situado a continuación, normalmente existen restricciones para la distribución efectiva del bus intermedio “en la placa.”Para una tensión de bus intermedio de 12V, la distribución incluso de tan solo 300W implica conducir 25A, lo cual puede resultar complicado en diseños de alta densidad.

Fiabilidad y redundancia
Objetivo: alcanzar el máximo grado de disponibilidad del sistema por medio gracias a su diseño con el fin de aumentar la fiabilidad y la redundancia.
La red de alimentación distribuida es la “espina dorsal” de equipos complejos, sistemas de medida de potencia y dispositivos sometidos a test. Dado que la vida operativa de un ATE se mide generalmente en décadas, es necesario identificar y controlar el tiempo medio entre fallos (MTBF) de los componentes críticos. Esto incluye:

Reducción de régimen apropiado desde un punto de vista eléctrico y térmico – Si bien la reducción de régimen se considera generalmente una manera de reducir el esfuerzo térmico, la densidad de corriente también puede ser de ayuda en los mecanismos de fallo.Un ejemplo es la electromigración en las pistas de la placa de circuito impreso.

Redundancia – Los componentes críticos cuyo fallo afecte a la disponibilidad de la máquina deberían ser redundantes y debería haber recambios disponibles para su sustitución sobre el terreno.

Reparabilidad y telemetría de diagnóstico
Objetivo:permitir el máximo nivel de modularidad y ofrecer al sistema opciones de diagnóstico en línea a lo largo del ciclo de vida del sistema.
La técnica de distribución del backplane es muy flexible de forma inherente, lo cual permite el intercambio en pleno funcionamiento de cargas no críticas (como, por ejemplo, los ventiladores) que se pueden sustituir sobre el terreno mientras el equipamiento sigue funcionando. No obstante, se debería planear el mismo nivel de flexibilidad en el otro extremo de la red de distribución, facilitando así el acceso al voluminoso sistema de alimentación.

El diagnóstico también se convierte en un aspecto de importancia crítica.Es necesario identificar y aislar con rapidez los problemas con los componentes o el subsistema para proteger el sistema frente a fallos de propagación. Si bien es casi imposible en el caso de la arquitectura de alimentación centralizada, tanto la arquitectura de alimentación distribuida como factorizadaofrecen una forma de automatizar el diagnóstico de la red de alimentación distribuida. La arquitectura de alimentación distribuida utiliza tradicionalmente una técnica de “margining”, en la cual el convertidor CC/CC remotose controla mediante una secuencia previamente establecida y una red de alimentación dedicada verifica la CC o CA dinámica obtenida. Los modernos componentes de potencia y la arquitectura de alimentación factorizada ofrecen un interface digital más sencillo en el cual los controles de supervisión pueden solicitar información sobre el estado en tiempo realpor medio de un bus de interface serie, generalmente I2C o UART.

Fuentes de ruido e inmunidad
Objetivo: minimizar EMC y EMI dentro del sistema mediante el desacoplamiento de la red de alimentación distribuida para minimizar las interferenciasconducidas y radiadas.

EMC y EMI se consideran habitualmente la “magia negra” del diseño de potencia. Sin embargo en general son válidas una serie de reglas básicas.Primero, identificar la fuente de ruido; y segundo, contener o filtrar el ruido lo más cerca posible de la fuente (suponiendo que el ruido no se pueda evitar por completo). Por desgracia, la red de alimentación distribuida es una buena candidatapara distribuirel ruido conducido dentro del sistema así como el ruido radiado alrededor del bastidor del sistema. Por tanto es extremadamente importante implementar al correspondiente filtrado, si no al nivel de cada componente del CC/CC, al menos en cada tarjeta de instrumento, con el fin de evitar la diafonía en el backplane.

Un problema especialmente molesto es el ruido de baja frecuencia generado en el backplane así como en los buses intermedios. Esto se debe a las interacciones de la corriente de entrada de varios convertidores y que crean batidos de baja frecuencia. Los diseñadores pueden tratar de evitar este problema asegurándose de que todos los componentes de la corriente de conmutación estén suficientemente confinados dentro de cada convertidor.

Conclusión
El diseño de la red de alimentación distribuida es un reto de los sistemas de test más avanzados. Existen diversos aspectos a tener en cuenta que se deben evaluar de manera minuciosa en la arquitectura del sistema de alimentación escogido.Si bien la arquitectura de alimentación distribuida a partir de backplanes de 48V es la opción más habitual en la actualidad, arquitecturas avanzadas como la alimentación factorizada a partir de una distribución de 400V CC se están convirtiendo en una opción valiosa ya quemejoran la densidad del sistema al ofrecer una mayor eficiencia y un nivel más elevado de granularidad.La Figuramuestra un ejemplo de diseño estándar en dos etapas para la alimentación del punto de carga a partir de una distribución de 400V CC: a la izquierda, un módulo de entrada formado por dos convertidores de bus de 400V (bajo los disipadores de calor, y un único módulo mostrado cerca del clip); en la parte superior, un módulo regulador de tensión (Voltage Regulation Module, VRM) multifase con el clásico convertidor reductor de 12V.

Autor:

Maurizio Salato, Director de Ingeniería de Sistemas, VICOR

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