Mess- und Prüfsysteme

Wenn eine größere Leistung beim PXI-System zum Problem wird

| Autor / Redakteur: Bob Zollo und Jochen Zimmermann * / Hendrik Härter

Modulare Stromversorgung: Agilent bietet mit der N6700 eine Lösung, die über 1 bis 4 Ausgänge verfügt und auf eine 1-U-Bauhöhe kommt. Jeder Ausgang kann zwischen 34 verschiedene Stromversorungskarten mit bis zu 500 Watt Abgabeleistung wählen.
Modulare Stromversorgung: Agilent bietet mit der N6700 eine Lösung, die über 1 bis 4 Ausgänge verfügt und auf eine 1-U-Bauhöhe kommt. Jeder Ausgang kann zwischen 34 verschiedene Stromversorungskarten mit bis zu 500 Watt Abgabeleistung wählen. (Bilder und Grafiken: Agilent Technologies)

Testsysteme auf Basis von PXI bieten eine definierte Größe. Doch Gleichspannungsnetzteile sind nicht trivial, denn bei Leistungen über 20 Watt ist eine Integration in das PXI-Mainframe schwierig.

Viele moderne Testsysteme sind auf Basis von PXI aufgebaut, was „ein komplettes Testsystem in einem Gehäuse“ ermöglicht. Dabei liegen die Vorteile von PXI auf der Hand: es bietet Geschwindigkeit, geringe Baugröße, Interoperabilität zwischen Messgeräten vieler Hersteller und eine große Vielfalt verfügbarer Steckkarten. Allerdings lässt sich ein Gleichspannungsnetzteil nicht so einfach in einem PXI-Slot unterbringen. Dank kompakter Bauform und der internen Kommunikationsverbindung ist es bei geringen Leistungen von bis zu 20 Watt sinnvoll, die Spannungsquelle in das PXI-Mainframe zu bauen. Wird mehr Leistung benötigt, lässt sich die Spannungsquelle nur schwierig in ein PXI-Mainframe integrieren.

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Mehr Leistung aus einer PXI-Spannungsversorgungskarte

Tabelle: Maximale Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot (aus der PXI-Express-Hardwarespezifikation).
Tabelle: Maximale Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot (aus der PXI-Express-Hardwarespezifikation). (Agilent)

In der Tabelle sind wesentliche Kennwerte eines PXI-Slots zu sehen. Auch eine Spannungsquelle mit hohem Wirkungsgrad kann nur einen Teil der vom PXI-Bus pro Slot zur Verfügung gestellten 30 Watt abgeben. Hinzu kommt, dass der Leistungsunterschied zwischen Eingangsleistung der Backplane und der DC-Ausgangsleistung als Wärme auf dem PXI-Karte verloren geht. Da jeder Slot im PXI-Mainframe nur eine Wärmeleistung von 30 Watt abgeben darf, schränkt die maximal erlaubte Wärmeabgabe eine Spannungsversorgungskarte ein. Der Trend geht jedoch dahin, mehr Leistung aus einer PXI-Spannungsversorgungskarte herauszuholen.

Hersteller von PXI-Karten versuchen auf verschiedenen Wegen, die Beschränkung bezüglich Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot zu überwinden. Ein Ansatz ist es, ein leistungsfähigeres PXI-Mainframe mit stärkerer Spannungsversorgung und besserer Wärmeabfuhr pro Slot zubauen, in welches man Spannungs-versorgungskarten mit höherer Ausgangsleistung einbauen kann. Allerdings geht das auf Kosten der Interoperabilität, da solche leistungsstarken und wärmeproduzierenden Spannungsversorgungskarten nur in diesen speziellen PXI-Mainframes funktionieren.

Das Problem mit der Ausgangsleistung

Bild 1: Bestimmung der Ausgangsleistung abhängig vom Wirkungsgrad. Der maximal erlaubte Verlust pro Slot beträgt 30 Watt.
Bild 1: Bestimmung der Ausgangsleistung abhängig vom Wirkungsgrad. Der maximal erlaubte Verlust pro Slot beträgt 30 Watt. (Agilent)

Der nächste Ansatz ist es den internen Bus des PXI-Mainframe von der Bereitstellung der Leistung zu entlasten und eine Spannungsversorgungskarte extern über die Frontplatte mit Gleich- oder Wechselspannung zu versorgen. Karten mit externer Wechselspannungsversorgung sind wenig verbreitet, da die Schaltung zur Konvertierung der Wechselspannung viel Platz in Anspruch nimmt. Meistens sind solche Karten daher mehrere Slots breit. Während dies das beschriebene Problem löst, büßt man den Vorteil der geringen Baugröße ein.

Eine verbreiterte Lösung ist es die Gleichspannungskarte mit einer externen Gleichspannungsquelle über die Frontplatte zu treiben. Die PXI-Karte stellt somit eigentlich einen programmierbaren Gleichstromwandler dar. Eine externe Gleichspannung von 24 und 48 Volt macht den Aufbau des Testsystems komplexer, da ein zusätzliches externes Netzteil neben dem PXI-Gehäuse benötigt wird, was des öfteren der Fall ist. Obwohl das auf den ersten Blick günstig erschient, muss man das Netzteil im Testsystem montieren, was ein weiteres Netzkabel erfordert. Das stellt zwar alles letztlich kein großes mechanisches Problem dar, aber man hat hinterher eben kein Kompakttestsystem in einem Gehäuse mehr.

Führt man die Speiseleistung einer PXI-Spannungsversorgungskarte in Form von Gleich- oder Wechselspannung von außen zu, ist man die Leistungsbeschränkung des PXI-Busses los, aber nicht das Problem der Wärmeabfuhr. Die maximale Wärmeabgabe jedes Slots ist nach wie vor auf 30 Watt beschränkt. Der Wirkungsgrad einer Linearspannungsversorgung beträgt typischerweise weniger als 50 Prozent, das begrenzt die Ausgangsleistung einer Spannungsversorgung auf maximal 60 Watt. Auch mit einem Schaltnetzteil, welches typischerweise einen höheren Wirkungsgrad hat, erreicht man nur eine Ausgangsleistung von 100 bis maximal 200 Watt.

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Eine leistungsfähigere Spannungsversorgung

Baut man die Stromversorgung breiter als einen Slot, vervielfachen sich die mögliche Speiseleistung aus dem Bus und die mögliche Wärmeabgabe. Das löst das Versorgungsproblem und das Problem der Wärmeabfuhr. Allerdings vergrößert sich dadurch aber auch der Platzbedarf und die Kosten, da jeder belegte Slot anteilig kostet. Darüber hinaus muss auch beachtet werden, dass die Wärmeentwicklung der Spannungsversorgungskarte in danebenliegenden Karten einen Wärmedrift verursachen kann. Auch werden in einem engen, vollbestückten Gehäuse empfindliche HF-Karten möglicherweise durch elektrische oder magnetische Emissionen eines leistungsfähigen Schaltnetzteils gestört.

Zwar bieten die unterschiedlichen Hersteller Lösungen für einen höheren Leistungsbedarf an, doch muss man hier Kompromisse bezüglich der Baugröße, der Kosten pro Slot, der Interoperabilität, der mechanischen Komplexität oder der Effizienz von benachbarten Karten eingehen. Es gibt noch einen anderen Weg, ein System mit einer leistungsfähigeren Spannungsversorgung zu konfigurieren. Werden höhere Leistungen und verschiedene Spannungen benötigt, ist eine externe Lösung wie die modulare Spannungsversorgung N6700 von Agilent sinnvoll.

Während eine ergänzende Lösung kein reines PXI-System mehr darstellt, unterliegt man nicht länger den Beschränkungen bezüglich Baugröße, Ausgangsleistung und Wärmeabgabe. Dedizierte Stromversorgungen wie das N6700 sind kompakt gebaut mit bis zu vier Gleichspannungsnetzteile in einem Gehäuse bei einer Bauhöhe von 1U. Die Stromversorgungen liefern Leistungen bis zu 500 Watt pro Ausgang in einem leistungs- und kostenoptimierten Gehäuse. Auf diese Weise bleibt das PXI-Mainframe frei für die eigentlichen Messinstrumente, welche effizient als kleine PXI-Karten aufgebaut werden können und von der schnellen Kommunikation des PXI-Backplanes profitieren.

* Bob Zollo und Jochen Zimmermann arbeiten als Applikationsingenieure bei Agilent Technologies.

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