大功率ATE测试系统解决方案

概述

大功率自动化测试设备 (ATE) 系统的开发为测试工程师带来了众多挑战。但测试是必要的，它能够确保产品的安全性以及产品达到所发布的性能规格。测试有助于避免高昂的质保期内维修成本，并有助于保证产品质量、维护企业的市场声誉，继而有助于提升市场份额和盈利能力。虽然测试被视作一项必要的功能，但管理层还会要求测试工程师将测试系统设计为满足以下目标：

■ 最大限度地提高测试性能

■ 尽可能低的成本

–  尽可能低的基建成本

–  尽可能低的年运行成本

– 占用最少的生产场地

■ 测试系统可靠性高

这些目标有可能存在冲突，在管理这些目标的同时，挑战也随之产生，其中包括既要满足生产进度要求，又要实现产量目标。若未能同时实现这两个目标，将导致收入减少。

大功率ATE系统设计的一个关键因素是管理功率组件。确定ATE系统的功率需求对实现最大化测试性能、最小化成本和高可靠性的目标有很大影响。以下章节介绍了测试工程师如何实现严苛的ATE系统目标。

以更高的电压和电流满足测试性能要求，同时兼顾未来需求

尽可能提高测试容量

测试工程师应确保其电源的输出性能能够满足当前和未来的需求，如电动汽车 (EV) 生产商能够在未来车型中更改电池电压。虽然具有矩形输出特性的直流电源也许能够满足原来的 ATE 系统要求，但产品设计方面的新变化可能促使测试工程师购买新电源，因为具有矩形输出特性的电源无法适应新要求。

相比具有矩形输出特性的等效电源，如图1所示的宽范围输出特性能够输出更高的电压和电流。

图1将EA 30kW电源与两种传统22kW输出电源进行了比较。请注意，EA电源的输出电压和输出电流远高于这两种矩形输出电源。此外，传统矩形输出电源只能在最大输出电压和最大电流的条件下提供最大功率输出（输出矩形的右上角），但宽范围输出电源能够沿这两点 (1500V, 20A) 和 (500V, 60A) 之间的曲线提供全功率输出。

图1. 宽范围输出特性与传统矩形输出电源的比较

EA Elektro-Automatik的宽范围电源的特殊之处在于，它们能够提供真正的宽范围特性，在低至最大输出电压的1/3的条件下，依然能够提供全功率输出。这种广泛的容量级使测试工程师能够灵活地测试在宽电压范围内运行的产品，并使用单个电源进行过电压和欠电压测试。在使用矩形输出电源时，可能需要使用至少两台电源。

例如，如果电动汽车制造商将400V电池设计更改为 900V或更高电压级别的设计，测试工程师可以使用相同的电源。这节省了整个测试系统的资金成本。测试工程师可能已经选择有着更高输出的矩形输出电源来应对未来变化，但功率更大的电源也会招致更高的基建成本，并有可能占用更多的厂区空间。

这同样适用于电子负载。宽范围电子负载（如新推出的 EA-ELR 10000系列）有着更大的灌电容量、以及更宽的电压和电流范围，让测试工程师能够尽可能降低产品测试所需的总负载功率。较低的电子产品负载既能够减小测试系统的物理尺寸，又能够降低测试系统成本。

开展更全面的测试

尽可能提高测试性能可确保系统能够按照国家和国际标准进行测试。航空电子系统和汽车系统要求按照相关标准进行测试，其中可能涉及生成复杂波形。在系统中接入信号发生器以调制直流电源，即是为测试系统添加额外的仪器，增大了测试系统的复杂度。EA电源和电子负载提供了内置函数发生器，能够安全轻松地生成标准和自定义波形。图2显示了EA电源和负载输出（或者为负载灌入）复杂波形的能力。另外，EA电源和负载还可以模拟电池、燃料电池和太阳能电池特性，以便更真实地测试由这些电源供电的产品。因此，利用EA电源和负载，测试工程师无需额外的仪器仪表，亦可保证测试的全面性，从而能够降低ATE复杂度。这样节省了资金成本和测试系统规模。

由于需要购置和控制的仪器更少，可以大大加快研发速度。简化的系统让测试工程师更有可能将经验证的ATE系统按时投入生产流程之中，有助于大幅提升收入。

 

 

图2. EA仪器能够生成的波形。右上图举例显示了标准和自定义波形。波形左侧的PC显示屏举例显示了在使用EA Power Control软件创建波形时所用的参数。

尽可能降低基建成本和年运行成本

节省ATE系统成本

成本目标往往难以与满足测试系统性能要求的需求并行。这些相互冲突的目标可能会让测试工程师在仪器性能的某些方面做出妥协，以将成本控制在资本预算之内。相较于具有矩形输出/输入特性的电源仪器，EA的宽范围仪器仪表允许使用功率更低的仪器。内置函数发生器让您无需额外的仪器，亦可满足信号生成需求。

如果ATE系统需要同时执行拉电和灌电，则测试工程师可以选择双向电源来执行这两种功能。此外，使用大容量仪器，比如60kW EA-PU设备，为测试工程师提供了许多节省高功率测试系统所需仪器数量的机会。大容量电源仪器仪表能够帮助测试工程师在预算范围内构建ATE系统。

尽可能降低基建成本和年运行成本

电源和电子负载的效率是影响年运行成本的一大因素。测试工程师需要寻找高效率电源仪器仪表。工程师应该使用具有功率因数约为0.99的有源功率因数校正电路和高效开关模式电源的电源。

测试工程师还应考虑能够将能量送回电网的仪器仪表。回馈式双向可编程直流电源和回馈式电子负载能够将大量电力送回电网；而EA Elektro-Automatik的回馈式电源和负载则能够将高达96%的吸收电能送回电网。

选择高效率电源仪器仪表能够节省大量电耗，进而节省公共事业成本。此外，效率更高的仪器仪表和回馈式仪器仪表的运行温度更低，这可以显著降低资本成本和维持ATE系统在安全温度下的年度公用事业成本。

节省制造间接成本

使用更少的仪器和更低功率的仪器，ATE系统规模可以更小。当测试系统需要30kW的容量时，高功率密度电源使仪器尺寸仅为4U。事实上，EA的其中一款产品能够在6U机箱中部署60W仪器仪表，这样的功率密度堪称业界典范。

测试工程师可以不需要额外的测试机架；或者，他们可以将两套系统构建到一台机架中。如果测试工程师能够压缩其测试系统，则能够节省宝贵的制造厂区空间，从而降低测试的间接费用。节省出来的空间可用于添加更多的测试系统，以提升现有空间内的产能，进而提高收入。

尽可能降低基建成本和年运行成本

ATE系统停机会降低产量，导致订单取消和收入损失。这就是管理层要求高ATE系统可靠性的原因。影响可靠性的因素有多种：

■ 仪器选择

■ 系统设计

■ 校准程序

■ 制造商的服务和支持

高效率仪器仪表和回馈式仪器仪表的使用有助于提升可靠性。相较于传统电源仪器仪表，效率更高的仪表在更低的温度下工作，对部件施加的应力更小，而且仪表不易发生故障。此外，EA产品还符合CE、UL和CSA标准。获得国家认可的测试实验室的认证可以建立对产品质量和可靠性的信心。EA产品可享受2年标准质保，另可选择3年或5年质保，因此测试工程师能够降低年拥有成本。

在测试机架中设计适当的通风和冷却、采用合适的接地技术、以及遵守测试机架安全措施，可确保良好的质量和稳定的测量。测试系统设计师需要注意大量设计细节，以提升系统的性能可靠性、延长系统运行时间。EA在电源测试机架构建方面拥有相应的专业知识（见图3），能够为测试系统工程师提供指导。

图3. 大功率电源系统符合安全标准，同时还提供了适当的接地和配电接线。

许多客户都会要求提供相关证据，以证明 ATE系统根据国际标准（如 Z540和ISO 17025）进行了校准。在校准间隔期内，会定义性能规格，因此测试工程师可以确信他们的产品将至少在规定的时间间隔内保持校准。这让测试工程师能够更仔细地预测何时需要执行系统停机，以免发生计划外生产中断。

测试工程师应考虑能够从电源仪器仪表供应商处获得支持。其重要性尤其体现在当测试系统的工程设计和制造发生在不同地点时，在这种情况下，需要能够提供全球支持的合作伙伴。

无需独自应对挑战

成本效益好、性能高、结构紧凑且能效高的ATE系统有着众多设计挑战；因此，应务必咨询制造商，以应对成本、空间、未来需求和能力方面的挑在。EA Elektro-Automatik提供了高能效且紧凑的电源仪器仪表，其特性能够满足测试工程师在批拨的预算范围内打造高性能ATE系统的需求。EA可帮助测试工程师尽可能提高效率、降低ATE系统寿命期内的年运行成本。