测试和测量仪器中的高密度多通道电源的制作方法

测试和测量仪器中的高密度多通道电源
1.相关申请的交叉引用
2.本公开要求保护于2022年2月4日提交的题为“high-density multi-channel power supply in a test and measurement instrument”的第63/306,924号美国临时申请的权益，该美国临时申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
3.本公开涉及测试和测量仪器，并且更特别地涉及用于测试和测量仪器的电源子系统。


背景技术：

4.要求高密度、通道计数和/或体积的多通道产品设计，如果它们要求单独的通道电源，则对电源子系统有巨大的挑战。例如，源测量单元(smu)要求单独的隔离电源，所述单独的隔离电源具有彼此独立的输出。另一个挑战出现了，因为典型地一部分硬件电路参考客户输出，这意味着输出接地不参考地面接地。输出接地与地面接地电流隔离，并且典型地被称为“浮动”。
5.对于n通道系统，在以高密度设计提供具有空间效率的n个隔离电源方面出现了挑战。用于电源的磁性组件可以容易地构成设计中最大的组件。对于双极性、模拟smu设计而言，该问题由于要求分裂式绕组或中心抽头(ct)绕组变压器设计而变得更加严重。常见的解决方案牵涉定制设计的磁性组件。这些解决方案无法扩展或者使实现小的大小极其困难。
附图说明
6.图1示出了具有多通道电源块(power supply block)的测试和测量设备的示例，所述多通道电源块具有隔离浮动电路。
7.图2示出了多通道浮动电源块的实施例。
8.图3示出了驱动器块的框图。
9.图4示出了非重叠驱动器波形的显示。
10.图5示出了驱动器块的实施例的电路图。


技术实现要素：

11.这里的实施例牵涉电源块。如本文所使用的，术语“电源块”意指在小空间中提供多个隔离通道的电源分段或部分，以将其与可以被认为是测试和测量装备市场中可获得的常规商业电源的那些区分开。测试和测量市场中的电源可以采用实施例的一个或多个电源块，诸如源测量单元(smu)、示波器、数字多用表等的其他测试和测量装备也可以采用。不旨在对任何特定类型的测试和测量装备进行限制。以下讨论使用smu的示例，但只是为了便于理解实施例。
12.所述电源块使用接口磁性组件来提供能够在所述实施例的电源块中提供多个隔离电力通道的多个隔离变压器。单个电源块可以使用多于一个的接口磁性组件来提供多个通道，或者电源块可以根据需要重复以提供期望数量的隔离电力通道。接口磁性组件包括封装在集成电路组件中的多个变压器。这允许所得到的电源在维持隔离的同时实现期望的高密度，这对于除使用当前方法以外的任何方式是不可获得的。
具体实施方式
13.如上面所提及的，讨论使用smu作为实施例的电源块可以被并入到其中的设备的示例。图1示出了测试和测量设备，在该情况下是smu，其具有电源块，所述电源块具有八个独立的通道，所述通道具有要求八个独立电源的浮动分段。图1示出了需要隔离的电路。这些包括诸如12的隔离器、诸如14的通道的输出以及公共驱动器18。这些隔离电路要求相对低的功率来操作。如先前所提及的，术语“浮动”意指通道将连接到客户/用户提供的接地，并且与地面接地电气隔离。
14.数字控制电路通过连接器接收通常为控制信号形式的数字通信，以及数字电力。模拟控制电路从模拟连接器接收模拟电力。模拟控制电路包括afpga 16，其产生用于产生8个独立通道的信号的驱动信号。这也将提供在当前实施例中使用的信号。测试和测量设备10将包括端口20或允许设备10连接到被测设备的其他连接器。它可以包括其它电路组件，诸如模数转换器(adc)、诸如按钮和旋钮的用户接口控制件、显示器以及一个或多个处理器。测试和测量设备可以包括smu或其他源、数字多用表、示波器、分析器、信号发生器，仅作为示例。
15.当前的解决方案包括使用单独的变压器组件。在高密度设计中，这些将努力占据物理上尽可能小的空间。例如，第一设备具有13.34mm的大小，并且第二设备具有13mm的大小。表1示出了这些组件的比较、从其产生的估计的布线面积、以及在示例性8通道解决方案中使用所述组件的面积。人们应该注意的是，这里的示例经常将指代8通道解决方案，但不旨在限于该特定示例，也不应暗示任何限制。
16.另一选项将使用定制的多输出紧凑型变压器，仅作为一个典型的示例。一个示例具有12.7
×
12.5mm的大小。一些设计者可以将定制的磁学设计制作为包含多个输出绕组以适应分离的单独通道。这可以为较小的通道计数提供相对紧凑的解决方案，但是随着所要求的通道数量的增加，这种解决方案很快变得不可行。表1示出了对于上面的解决方案所示出的8通道解决方案的估计大小的比较。
[0017][0018]
表1——传统解决方案的实现大小估计。
[0019]
假设所需的功率水平与设计要求具有兼容性，则人们可以将数字接口磁性组件改换用途，以用于多通道电源应用。该组件的新颖使用在8个隔离通道的实现方面实现了极大
的减少。该类型的组件的一个示例具有8个绕组并且大约为28
×
16mm。8通道设计包括的面积为714mm2，与表1中所示的具有远超过1000mm2的占地面积的其他设计相比节省了大量空间，而该设计远低于1000mm2。
[0020]
数字接口磁性组件或接口磁性组件典型地在电信系统中操作。它以前从未出现在电源设计中。在一个示例中，通信链路典型地具有两个端，即接收本地ac电力的终端设备(te)端。te集成电路卡连接到组件的次级绕组，并且初级绕组连接到另一端(网络终端(nt)端)处的初级绕组。nt电路卡连接到与nt电路卡连接的次级绕组。这仅提供了一个示例来示出这样的组件的典型使用。
[0021]
回到图1，该组件将代替公共通道驱动器18。如将进一步更详细地讨论的，组件可以具有定制驱动器电路。图2示出了诸如在smu或其他测试装备中可用的多通道电源块中的通道的实施例。图2仅示出了两个通道，每个通道采用来自接口组件40的一个绕组，应当理解，通道根据需要复制多次。示图中的顶部电路将针对通道1，底部电路将是通道2，等等。无论通道有多少，这些都将根据需要复制多次，并且两个绕组之间的间隔比所示出的更小得多。相同的接口组件40包含小的占地面积内的所有绕组，但为了便于理解，示出为处于两个不同的位置。如上面所提及的，电源块本身可以是重复的，除了其他场景以外，电源块还可以包括多于一个的8变压器磁性接口组件，或者使用具有多于8个变压器的磁性接口组件。
[0022]
每个通道具有几个部分，每个部分具有特定的目的。
[0023]
在图2中，下部的通道在来自接口磁性组件的一个绕组40上操作。该绕组(在该情况下为中心抽头)连接到全桥整流器42，该全桥整流器42将来自该绕组的ac电源转换为dc。平滑电路44使整流器的输出平滑，以提供更平滑的dc信号。电压调节器46调节dc电源，以提供正极性和负极性这两者的dc输出信号。该电压调节器可以包括电压调节集成电路、设置电压值并提供进一步的电压调节的电阻器-电容器网络、以及不具有设置电压的能力但在f2输出端子处提供良好的输出正电压和负电压的固定调节器。平滑电路和固定调节器仅仅是可以被包括在电压调节器46中的一些可选电路。这些组件针对第一通道被复制为全桥整流器43、平滑电路45和电压调节器47，产生正的和负的输出电力信号f1。
[0024]
如从图2的最左边可以看到的，人们可以看出，绕组具有两个输入信号f-drv1和f-drv2。这些驱动信号可以由定制驱动电路产生。图3示出了驱动电路的上下文的总体图。
[0025]
返回参考图1，afpga 16向图3的栅极驱动器52提供驱动信号。在一个实施例中，afpga向栅极驱动器52供应驱动信号fdrive_a和fdrive_b。低esr(等效串联电阻)电源54向h桥晶体管56提供dc电压。这允许h桥56将接口磁性组件40中的绕组所使用的两个驱动信号f-drv1和f-drv2信号相乘，以产生接口磁性组件40中可用的无论多少的隔离的电力通道。图4示出了这些驱动信号的示例。在一个实施例中，驱动信号是3.3v非重叠驱动波形。通常，电源块将被认为是低功率的，消耗小于2w，或在一些情况下小于5w
[0026]
图5示出了为操作来驱动该组件而开发的高频驱动器的实施例。在一个实施例中，频率为至少1mhz。该驱动器递送所要求的功率水平和电压轨。在一个实施例中，功率水平和电压轨用于多通道smu应用中的所有8个隔离通道。在没有驱动器的情况下，将很难利用oem通常可获得的资源来再现这样的紧凑布置的等同物。此外，在紧凑的标准集成电路占地面积中的封装允许自动组装装备的正常用途来使用已知技术将该组件放置到pcb上。
[0027]
在图5中，驱动器电路从afpga接收fdrive_a和fdrive_b信号，并且它们充当到栅
极驱动器52a和52b的输入。低esr电源向h桥提供dc电源fdrive。大块的低esr电容62作用于fdrive信号，以将电流馈送到h桥中的高速开关转换器。在一个实施例中，所述h桥包括具有双重布置的h桥配置中的一组四个开关晶体管。h桥可以包含其他组件，诸如减慢开关速度以降低电气噪声的rc组件。来自h桥电路的输出包括到图2的变压器的f-drv1和f-drv2输入。
[0028]
以该方式，电信行业中使用的现成的、占地面积小的组件可以被改换用途以向多通道smu提供隔离的电力信号。这些实施例包括允许该组件能够在smu环境中正确运转的驱动器。
[0029]
在一些情况下，所公开的方面可以用硬件、固件、软件或其任何组合来实现。上面提到的fpga和诸如电压调节器等的其他集成电路可以用能够执行相同功能的任何组件替换。所公开的方面还可以被实现为由一个或多个非暂时性计算机可读介质承载或存储在一个或多个非暂时性计算机可读介质上的指令，所述指令可以由一个或多个处理器读取和执行。这样的指令可以被称为计算机程序产品。如本文所讨论的，计算机可读介质意指可以由计算设备访问的任何介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。
[0030]
计算机存储介质意指可以用于存储计算机可读信息的任何介质。作为示例而非限制，计算机存储介质可以包括ram、rom、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪速存储器或其他存储器技术、致密盘只读存储器(cd-rom)、数字视频盘(dvd)或其他光盘存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储设备，以及以任何技术实现的任何其他易失性或非易失性、可移动或不可移动介质。计算机存储介质不包括信号本身和信号传输的暂时形式。
[0031]
此外，该书面描述提及了特定特征。应当理解，本说明书中的公开内容包括那些特定特征的所有可能组合。例如，在特定方面的上下文中公开特定特征的地方，该特征也可以在其他方面的上下文中尽可能地使用。
[0032]
此外，当在本技术中提及具有两个或更多个经定义的步骤或操作的方法时，经定义的步骤或操作可以以任何次序或同时执行，除非上下文排除了那些可能性。
[0033]
尽管为了说明的目的已经图示和描述了本公开的特定方面，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，除了所附权利要求之外，本公开不应受到限制。
[0034]
示例
[0035]
下面提供所公开技术的说明性示例。所述技术的实施例可以包括一个或多个下面描述的示例及其任何组合。
[0036]
示例1是具有多个隔离电力通道的电源块，该电源包括具有多个绕组的接口磁性组件，每个绕组连接到隔离通道中的单独一个隔离通道。
[0037]
示例2是示例1的电源块，其中每个隔离通道进一步包括：全桥整流器，所述全桥整流器电连接到接口磁性组件的一个绕组，以将来自该绕组的传入电力转换为直流信号；电压调节器，用于将来自全桥整流器的电压调节到期望的水平和极性；以及至少一个输出端子，用于输出与其他通道的输出隔离的信号。
[0038]
示例3是示例2的电源块，其中每个通道的全桥整流器连接到该通道的绕组的中心
抽头。
[0039]
示例4是示例2或3中任一个的电源块，其中每个通道进一步包括全桥整流器电路和电压调节器之间的平滑电路。
[0040]
示例5是示例1至4中任一个的电源块，进一步包括连接到接口磁性组件的驱动器电路。
[0041]
示例6是示例5的电源块，其中驱动器电路包括h桥电路。
[0042]
示例7是示例5或6中任一个的电源块，其中驱动器电路在至少1mhz的频率下操作。
[0043]
示例8是示例5至7中任一个的电源块，其中驱动器电路接收两个驱动信号作为输入。
[0044]
示例9是示例5至8中任一个的电源块，其中输入是非重叠方波信号。
[0045]
示例10是示例5至9中任一个的电源块，其中驱动器电路生成两个输出驱动信号，并将输出驱动信号传输到接口磁性组件。
[0046]
示例11是示例1至10中任一个的电源块，其中接口磁性组件具有小于1000mm2的占地面积。
[0047]
示例12是示例1至10中任一个的电源块，其中电源块消耗小于5w的功率。
[0048]
示例13是测试和测量仪器，包括：连接器，用于允许仪器连接到被测设备；以及具有多个隔离电力通道的电源块，该电源块包括具有多个绕组的接口磁性组件，每个绕组连接到隔离电力通道中的单独一个隔离电力通道。
[0049]
示例14是示例13的测试和测量仪器，其中每个隔离通道进一步包括：全桥整流器，所述全桥整流器电连接到接口磁性组件的一个绕组的，以将来自绕组的传入电力转换为直流信号；电压调节器，用于将来自全桥整流器的电压调节到期望的水平和极性；以及至少一个输出端子，用于输出与其他通道的输出隔离的信号。
[0050]
示例15是示例13或14的测试和测量仪器，其中每个通道的全桥整流器连接到该通道的绕组的中心抽头。
[0051]
示例16是示例13至15中任一个的测试和测量仪器，其中每个通道进一步包括全桥整流器电路和电压调节器之间的平滑电路。
[0052]
示例17是示例13至16中任一个的测试和测量仪器，进一步包括连接到接口磁性组件的驱动器电路。
[0053]
示例18是示例17的测试和测量仪器，其中驱动器电路在至少1mhz的频率下操作。
[0054]
示例19是示例17或18的电源块，其中驱动器电路接收两个驱动信号作为输入。
[0055]
示例20是示例17至19中任一个的电源块，其中输入是非重叠方波信号。
[0056]
所公开主题的前述版本具有许多优点，所述优点已经被描述或者对于普通技术人员而言应当是显而易见的。尽管如此，这些优点或特征并不是在所公开的装置、系统或方法的所有版本中都要求的。
[0057]
附加地，本书面描述提及了特定特征。应当理解，本说明书中的公开内容包括那些特定特征的所有可能的组合。在特定方面或示例的上下文中公开了特定特征的情况下，该特征也可以在尽可能的程度上在其他方面和示例的上下文中使用。
[0058]
此外，当本技术中提及具有两个或更多个经定义的步骤或操作的方法时，经定义的步骤或操作可以以任何次序或同时执行，除非上下文排除了那些可能性。
[0059]
尽管出于说明目的，对本发明的特定示例进行了图示和描述，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，除了所附权利要求之外，本发明不应受到限制。

技术特征：
1.一种具有多个隔离电力通道的电源块，所述电源包括具有多个绕组的接口磁性组件，每个绕组连接到所述隔离通道中的单独一个隔离通道。2.根据权利要求1所述的电源块，其中每个隔离通道进一步包括：全桥整流器，所述全桥整流器电连接到所述接口磁性组件的一个绕组，以将来自所述绕组的传入电力转换为直流信号；电压调节器，用于将来自全桥整流器的电压调节到期望的水平和极性；和至少一个输出端子，用于输出与其他通道的输出隔离的信号。3.根据权利要求2所述的电源块，其中，每个通道的全桥整流器连接到所述通道的绕组的中心抽头。4.根据权利要求2所述的电源块，其中，每个通道进一步包括全桥整流器电路和电压调节器之间的平滑电路。5.根据权利要求1所述的电源块，进一步包括连接到所述接口磁性组件的驱动器电路。6.根据权利要求5所述的电源块，其中，所述驱动器电路包括h桥电路。7.根据权利要求5所述的电源块，其中，所述驱动器电路在至少1mhz的频率下操作。8.根据权利要求5所述的电源块，其中，所述驱动器电路接收两个驱动信号作为输入。9.根据权利要求5所述的电源块，其中，所述输入是非重叠方波信号。10.根据权利要求5所述的电源块，其中，所述驱动器电路生成两个输出驱动信号，并且将所述输出驱动信号传输到所述接口磁性组件。11.根据权利要求1所述的电源块，其中，所述接口磁性组件具有小于1000mm2的占地面积。12.根据权利要求1所述的电源块，其中，所述电源块消耗小于5w的功率。13.一种测试和测量仪器，包括：连接器，允许所述仪器连接到被测设备；和具有多个隔离电力通道的电源块，所述电源块包括具有多个绕组的接口磁性组件，每个绕组连接到所述隔离电力通道中的单独一个隔离电力通道。14.根据权利要求13所述的测试和测量仪器，其中，每个隔离通道进一步包括：全桥整流器，其电连接到所述接口磁性组件的一个绕组，以将来自所述绕组的传入电力转换为直流信号；电压调节器，用于将来自全桥整流器的电压调节到期望的水平和极性；和至少一个输出端子，用于输出与其他通道的输出隔离的信号。15.根据权利要求13所述的测试和测量仪器，其中，每个通道的全桥整流器连接到所述通道的绕组的中心抽头。16.根据权利要求13所述的测试和测量仪器，其中，每个通道进一步包括全桥整流电路和电压调节器之间的平滑电路。17.根据权利要求13所述的测试和测量仪器，进一步包括连接到所述接口磁性组件的驱动器电路。18.根据权利要求17所述的测试和测量仪器，其中，所述驱动器电路在至少1mhz的频率下操作。19.根据权利要求17所述的测试和测量仪器，其中，所述驱动器电路接收两个驱动信号
作为输入。20.根据权利要求17所述的测试和测量仪器，其中，所述输入是非重叠方波信号。

技术总结
本公开涉及测试和测量仪器，并且更特别地涉及用于测试和测量仪器的电源子系统。一种电源块，具有多个隔离电力通道，所述电源包括具有多个绕组的接口磁性组件，每个绕组连接到所述隔离通道中的单独一个隔离通道。一种测试和测量仪器，具有允许该仪器连接到被测设备的连接器，以及具有多个隔离电力通道的电源块，该电源块包括具有多个绕组的接口磁性组件，每个绕组连接到所述隔离电力通道中的单独一个隔离电力通道。离电力通道。离电力通道。


技术研发人员：B
受保护的技术使用者：基思利仪器有限责任公司
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/8/9