隨著智慧城市、智慧工廠以及物聯(lián)網的快速發(fā)展，開關系統(tǒng)的生產商正面臨越來越大的壓力，以確保他們的儀器設備能夠適應最新的應用。開關在任何一個自動測試系統(tǒng)中都是關鍵部分，其技術創(chuàng)新從系統(tǒng)和子系統(tǒng)級別擴展到芯片和繼電器級別。
在自動測試系統(tǒng)中，開關使測試資源能夠被測試設備有效的共享。這是一個簡單的概念，但是許多小的因素決定了針對每個應用或獨立的測試任務最合適的開關系統(tǒng)。無論是測試與測量儀器、軍事設備、通訊系統(tǒng)、汽車電子產品還是醫(yī)療設備，選了一個合適的開關系統(tǒng)，對每個工程師來說都是一個挑戰(zhàn)。供應商存在的意義就是幫助工程師選擇合適的開關系統(tǒng)。一旦開關系統(tǒng)選擇完畢，供應商就會越來越多的增加他們公司自己的軟件來幫助最大化系統(tǒng)的優(yōu)勢及潛能。
Pickering Interfaces公司的產品技術專家，PXI系統(tǒng)聯(lián)盟主席Bob Stasonis先生談到影響高密度開關系統(tǒng)的其它幾個關鍵因素。
“隨著復雜的電子控制單元（ECU）在所有電子行業(yè)-尤其是汽車、航天和半導體行業(yè)的普及，加上不斷增加的產品上市時間壓力，使用實時硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)對ECU進行自動的功能驗證就變得越來越重要。在大多HIL系統(tǒng)中一個關鍵組成部分是自動故障仿真，Pickering Interfaces看到了用于多數(shù)量IO的ECU測試的高密度故障注入開關需求越來越大，尤其在自動化和航空航天工業(yè)方面。”
Bob Stasonis先生繼續(xù)談到：“Pickering經常根據(jù)客戶的需求將開關密度做到極限，高密度開關模塊的新趨勢包括日益增長的帶寬需求和在一些市場尤其是半導體工業(yè)上，對隔離電阻的驗證。目前，我們平均的隔離電阻規(guī)范為10^9Ω。我們的一些BRIC高密度矩陣的隔離電阻測試出來要高于10^11Ω?！?
Trending 趨勢
我們在Electronic Engineering上咨詢了一些領先的電子測試和測量的儀器供應商關于他們所看到的高密度開關系統(tǒng)的最新或者在未來1-2年內所期望看到的趨勢。以下是他們在最近的新聞發(fā)布會上告訴我們或者說過的話：
Grant Gothing，chief technology officer at Bloomy：“大型航空航天和汽車電子方面的HIL測試使得OEMs和航空航天制造商能夠更快的開發(fā)和驗證新的硬件和軟件設計，以應對被測試單元真實情況下可能出現(xiàn)的一些情況。HIL測試一大部分是真實模擬切換和故障注入。真實模擬切換意味著每個I/O點必須能夠在模擬的模型驅動信號和真實的組件（執(zhí)行器、傳感器、控制器等）之間進行物理切換。故障注入開關需要注入各種故障（開路、斷路、引腳短路、反極性、短接地、與軌道短路、相鄰信號短路）來確保被測設備反應適當。這些需求意味著需要大量的開關，每一個簡單的2線模擬信號可能需要6-12個繼電器，以確保能夠排除故障和真實模擬連接的所有交換。提高開關密度和可擴展性對開發(fā)大型汽車發(fā)動機和航空航天HIL測試系統(tǒng)至關重要?！?
Mike Dewey, director of marketing at Marvin Test Solutions：“總體而言，我們看到高密度交換系統(tǒng)正繼續(xù)向像MAC Panel SCOUT的無電纜界面轉移。高密度開關切換系統(tǒng)需要高密度的I/O，從電纜接口轉移到無電纜接口以確保足夠的性能并提供可靠的接口?？蛻粢蟮耐ǖ罃?shù)越來越多，也就要求供應商尋找更小體積的繼電器，以及識別更高密度的I/O連接，這對3U形式的PXI來說是一個特別的挑戰(zhàn)?！?
Nick Turner, CEO of Cytec：“總體來說，我們最近在這個領域上沒有接觸更多的需求。雖然許多客戶希望設備盡可能的小，但是他們最關心的還是性能和價格，尺寸往往在優(yōu)先級列表中比較低。我們看到這三個方面是大型開關組中的一個問題，在大型開關的作用下人們想要分組切換更大數(shù)量的線纜，舉例：一個1*16的開關一次切換250個線纜，在最終用戶想要交叉連接數(shù)百個輸入和數(shù)百個輸出時使用的高密度通信矩陣，以及大電流開關。在更小的尺寸中完成這些工作的固態(tài)技術正變得越來越普遍，成本也越來越低?！?
John Brown, application engineer at Tektronix：“關于開關和數(shù)據(jù)采集發(fā)展趨勢，我們看到電壓、溫度、電阻等基本測試需求有更多相同之處，這些需求為其他的一些研究奠定了基礎。許多強大的ASIC設備要求儀器硬件工程師創(chuàng)建增強特性，如在指定儀器的用戶界面上更詳細和可視化的數(shù)據(jù)顯示。隨著更高額容量應用程序需求的增加，客戶關注的是可以提供更大的開關通道數(shù)和更快的切換速度的解決方案?！?
Vijay Kulkarni, CEO of GL Communications：“隨著互聯(lián)網設備的爆炸式增長和物聯(lián)網時代的到來，更高密度的開關需求在不斷增長。隨著千兆以太網接口的增加，供應商們正在推出帶有千兆以太網接口的開關產品，帶有12或者24千兆端口的以太網開關設備變得越來越普遍。另外一個趨勢是對更高的數(shù)據(jù)容量的需求，10千兆以太網連接變的越來越普遍，越來越多的用戶從1G轉變到10G。高密度千兆以太網開關設備通常有2或4個10G接口。并且，當最終用戶在其辦公場所切換到“ALL 10G”環(huán)境時，有4/8/16/24個10G端口的高密度“ALL 10G”的開關設備也將被配置?！?
Trade-offs 取舍
為了支持更高的密度，供應商常常不得不在其他開關方面做出犧牲，比如降低信號振幅和最高頻率。
Pickering公司的Stasonis提到在將高密度設計和低密度模型進行對比時，需要考慮很多因素。更大的板卡空間-如VXI模塊-將導致更長的信號路徑，這將增加路徑電容，最終導致帶寬降低。
他補充說像PXI這種更高密度的形式將有更好的帶寬，因為PCB的信號路徑更短，但是缺點就是組件之間的距離更新，可能會增加串擾。另外，在非常高密度的設計中，PCB的路徑將會挨得非常近，因為隔離度也將會降低。選擇的繼電器類型會影響隔離電阻。
Stasonis 提到“高開關密度會導致更低的熱/冷切換電壓，主要是因為如上所述的在非常密集的結構中，因為其他組件的臨近，較高的電壓會表現(xiàn)出更高的串擾，因此生產商降低了熱/冷切換電壓來管理串擾。”
Stasonis接著詳細闡述了高密度開關系統(tǒng)中Trade-offs的總體概念，以及他的公司是如果致力于提供客戶指定的的開關解決方案，而不是像只是提供一個平臺選擇那樣的Trade-offs。
Stasonis 提到“一般來說，認為更大的板載空間（如VXI）會比PXI帶來更高的性能的想法是不正確的。每一種設計都有它的利弊。應用程序和需求指標需要表明需要的是高密度設計或者低密度設計。這是Pickering有許多可選方案的原因之一；我們是一個提供開關解決方案的公司，不受任何特定體系結構的約束。我們使用正確的平臺來適配客戶的需求，而不是讓客戶將特定的平臺硬塞進他們的系統(tǒng)設計中。如果一個應用需要更高的密度和/或更高的功率和/或更高的電壓，而PXI平臺無法滿足時，我們能夠在我們的LXI系列產品中提供更大形式的解決方案?！?
以上就是其他供應商們在trade-offs上提到的觀點。
Brown, Tektronix：“這里是Tektronix的Keithley分部。我們在幾年前就解決了固態(tài)切換的需求，但更重要的是服務于期望有更快的切換速度以便在更短的時間內完成高質量測試的客戶。這有助于在某些情況下提升更大的吞吐量，例如在生產環(huán)境中的功能測試，在這種環(huán)境中，僅提高密度不能滿足客戶的需求。開關系統(tǒng)供應商獲取更高開關密度（一般來說，是更多通道）的一種方法是利用硬件中可用的不同觸發(fā)方式。這允許用戶使用菊花鏈來連接多個單元來增加通道序列；或者讓他們在臨界時間上并行觸發(fā)/切換。”
“當一個新的開關選項（板卡或者模塊）集成到現(xiàn)有的主框架中時，設計者將考慮如何針對更小的開關設備來優(yōu)化PCB空間，路徑電阻/開關電流以及任一/所有涉及到的組件的功耗和散熱。”
Jon Semancik, director of marketing at Ametek Programmable Power：“固態(tài)開關有一些優(yōu)勢，如切換速度、壽命，但是其他關鍵的操作參數(shù)，如帶寬、泄露電流等會限制他們在某些高性能應用中的使用?！?
其它因素
雖然測試系統(tǒng)占用的空間大小很重要，但是它的靈活性、可靠性和成本也很重要。以下是供應商們關于公司提出的降額建議不得不說的話，以及在與更大形式因素和更高密度的相關技術帶來的性能優(yōu)勢上的一些想法。
Stasonis, Pickering：“對于需要長壽命功能的國防和其他高可靠性的應用，應該適當?shù)慕档皖~定值。降低多少取決于應用程序—例如設備將受到高功率和/或電壓峰值的影響。Pickering Interfaces可以就在設備必須運行的操作環(huán)境和條件下針對合適的產品給出建議。”
“性能優(yōu)勢取決于具體的測試應用，但通常情況下，高密度開關系統(tǒng)的信號路徑更短，可以獲得更好的信號完整性和更低的信號路徑電容。然后，另一方面，高密度開關產品可能導致較低的隔離電阻。使用的開關模塊也會影響其性能。舉個例子，如果將多個模塊一起布線形成一個高密度矩陣，因為信號路徑長度和使用的布線會引起電容的增加進而影響其整體性能。使用像Pickering BRIC這樣具有獨特的形式/因素的開關模塊將會提供更好的模擬性能，Y軸上的智能隔離繼電器將最小化存根長度，這可以在高頻情況下提高信號完整性?！?
Turner, Cytek：“盡管固體繼電器在降低其尺寸和成本上取得了一定的進步，但一個開關系統(tǒng)的尺寸大小仍有許多其他的限制因素，不管開關本身的尺寸降低到多小。這些因素包括：
連接器密度和配置。如果一個人想要一個256*1的多路復用，但是前面板需要257個連接器的空間。如果他們想要的不是高密度連接器，那么繼電器有多小就不重要了。他們仍然需要是和BNC數(shù)量或者螺桿終端連接器的機架高度的產品。另一方面，如果他們需要一個64*64的矩陣開關，他們需要4096個開關，但只是128個連接器，所以使用非常小的繼電器或者高密度的開關結構可以節(jié)省大量的空間。
電壓和電流。固態(tài)繼電器在小電壓和小電流的應用中為減小開關系統(tǒng)的體積做了很大的貢獻。我們有一個256*256數(shù)字TTL矩陣，在大概1平方英寸的FPGA上面有65536個開關。但是固態(tài)繼電器與更大一些的機械繼電器相比，往往只是應用于特定的應用中，在相同的封裝尺寸下，后者往往可以處理幾百V的電壓和幾A的電流。固態(tài)繼電器熱切換電流可能無法處理任何高壓信號。在高電壓下工作良好的會有更高的電阻。高電壓會抵消固態(tài)繼電器的優(yōu)點，因為需要在組件和連接器之間進行物理分離之后再處理電壓。
頻率。小型固態(tài)RF繼電器在射頻領域開辟了另一個有利可圖的市場，因為它可以非?？焖俚倪M行切換并且在高頻下工作良好，但是它們常常不可以處理DC或者大功率信號。所以，再次印證了它僅僅在特定應用中使用。一旦進入高頻領域，你就又會收到連接器的限制。雖然最新的微型同軸連接器可能適用于您的手機天線，但是在人們習慣使用BNC、F、SMA連接器的機架安裝測試設備中，使用它們可能會變得很棘手。
Brown. Tektronix：“關于降低掃描速率，用戶應該特別注意有關掃描速率的規(guī)范細節(jié)。雖然核心萬用表規(guī)范往往側重于最佳的默認系統(tǒng)設置，以提供最高質量讀數(shù)的洞察力，但切換可能會影響質量。我們盡了最大的努力來確?？蛻糁溃敀呙?切換速率較高時，可能會有一些得失。為了獲得更大的速度，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。這將有助于加快數(shù)據(jù)采集，但增加了信號噪聲不被從讀數(shù)中消除的可能性。在這個領域取得成功的關鍵是靈活性和降低每個通達的成本?！?
Semancik Ametek：“可用來開關解決方案的物理空間直接受到所使用的接口的影響。舉個例子，PXIe板卡上面只有有限的區(qū)域用于實際開關切換部分，因為必須為數(shù)字接口和空間提供空間。另一方面，根據(jù)供應商的設計標準，LXI提供了更大的空間。在基于PC的架構(如PXle)中，一般的空間縮減會直接影響串擾和信號隔離等參數(shù)。減少信號路徑和其他設計特征之間的間距，如地面平面的布置，將會嚴重影響帶寬和噪聲。”
Gothing Bloomy：“Bloomy的HIL仿真系統(tǒng)解決方案是基于模塊化的架構，使用了大量的儀器和開關板卡。通過使用這種模塊化的架構，Bloomy的HIL仿真平臺可以按比例放大或縮小以滿足客戶的需求，此外，通過混合和匹配具有不同拓撲結構的板卡，還可以建議切換架構來滿足需求?！?
Kulkarni, GL Communications：“這種高密度1G/10G開關的測試需要相應的高密度測試設備，具有高密度的端口。為了正確地測試這種高密度開關，測試設備必須能夠同時在其所有1G/10G端口上以1Gbps或10Gbps的速度產生和處理通信量。也就是說，要測試一個12或24端口的千兆以太網交換機，測試設備必須能夠在所有12/24端口上產生Gbps速率，同時能夠處理交換機返回的流量，并進行數(shù)據(jù)分析，總容量為24Gbps或48Gbps。同樣的，測試一個3/6個10G端口的交換機，需要總共60/ 120Gbps的流量能力?！?
Now on the market 市場現(xiàn)狀
隨著固態(tài)開關和超小型繼電器的性能不斷提高，使得開關組件的密度越來越高。對于開關儀器的供應商來說，這需要不斷地進行技術改進，并利用它們來開發(fā)新的密集開關解決方案。
以下是測試測量儀器供應商針對最新的高密度開關產品的看法：
Pickering Interfaces提供高密度的測試與仿真產品，但它的姐妹公司Pickering Electronics是最新開關元件器的供應商。Pickering Electronics開發(fā)和生產微型舌簧繼電器，最新型號是120系列，據(jù)Stasonis講述該系列產品是工業(yè)上1A尺寸最小的繼電器（長3.9mm，寬3.9mm，高15.5mm）。Stasonis 提到“與pickering之前的高密度1A開關相比，這個繼電器使得在PCB上的繼電器數(shù)量幾乎增加了一倍，為我們的客戶提供了強大的功能?！?Pickering舌簧繼電器還包括Mu金屬屏蔽層，以確保辦卡上非常緊密封裝的開關之間沒有干擾?！斑@是至關重要的，因為我們服務的許多應用都是“關鍵任務”-這就意味著絕對不可以失敗” Stasonis 繼續(xù)說道。
Pickering Interfaces使用新的120系列繼電器的第一個產品是超高密度的PXI矩陣模塊， 40-559系列BRIC矩陣，在PXI模塊中提供了多達4096個交叉點。與Pickering之前的1A BRIC矩陣40-562A相比，40-559的開關密度幾乎是40-562A的兩倍（1.94倍）。除了密度，120系列一個更大的優(yōu)勢是電流額定值比其他同等尺寸的繼電器高4倍多。有2槽，4槽或8槽的PXI大小可供選擇，這些PXI矩陣可以使得一個完整的功能ATE系統(tǒng)封裝在一個3U的PXI機箱中。
2018年，Pickering生產除了2A的PXI故障注入開關模塊，可以允許11或22個信號對通道。這些模塊主要用于模擬汽車和航空電子設備測試應用中涉及安全關鍵控制器可靠性測試的故障情況。Pickering公司最近還推出了65-221高密度模塊化LXI以太網舌簧繼電器矩陣，最初設計該矩陣是為了在晶圓和封裝層面測試半導體。該解決方案結合了Pickering最新的LXI機箱及其新的插件矩陣。
Marvin Test Solutions剛剛為其GENASYS switch系列產品推出了一個額外的模塊——GX6188，它具有一個8*104矩陣加上一個額外的8*8矩陣，用于促進多塊開關板卡的“聯(lián)合”以構建更大規(guī)模的矩陣。此卡可作為6U PXI系統(tǒng)的一部分或GENASYS系統(tǒng)的一部分進行集成。MTS的Dewey指出GENASYS架構地址靈活性和可靠性的原因是通過端到端的開關切換軟件- SwitchEasy，簡化了從儀器到被測單元（UUT）的信號路由，并且防止可能損壞系統(tǒng)或UUT的信號的路由或連接。此外，GENASYS子系統(tǒng)還包括用于計數(shù)和記錄繼電器閉合總數(shù)的機載電路，為預測繼電器壽命提供了預測數(shù)據(jù)。
今年4月，Tektronix推出了新的DAQ6510數(shù)據(jù)采集和萬用表系統(tǒng)。Brown指出，該系統(tǒng)占地面積小，靈活性強，只有半機架寬，最多可提供80個多路復用器通道。DAQ6510有大量的連接頭，在其開關模塊部分引入了許多D型連接器，可在系統(tǒng)維護期間或在設置新的測試系統(tǒng)時更改插件切換模塊，從而最小化停機時間。與此同時，Keithley將于2018年7月發(fā)布3700A系列系統(tǒng)開關/萬用表，包括基礎3706A系統(tǒng)開關/萬用表主機，以及增加靈活性的三個選項。這臺主機包含6個插槽，可插入2U高(3.5英寸/89毫米)外殼的板卡，以適應中通道或高通道計數(shù)應用程序的需要。當滿載時，主框架可以支持多達576條雙線多路復用通道或2688條單極矩陣交叉點。
對于Cytec來說，Turner無法談論該公司最近針對客戶的開關解決方案的細節(jié)，但他分享了有關其特制的DXM/128x128矩陣的信息。用于切換空線通信信號標準。它是一種非阻塞的、全扇形輸出矩陣，用于衛(wèi)星地面站和重定向信息。該系統(tǒng)目前正在部署最新的GOES-R氣象衛(wèi)星。
聲明：本文為從英文翻譯過來的文章，素材摘抄自Electronic Engineering February 2019期刊中的部分內容。原文作者：By Mike Hockett, Editor-in-Chief，本文譯者：虹科Tina
