原创 关于PXI开关模块功率限制的分析与建议

前言

关于本篇文章所讨论的PXI模块功率理论适用任何PXI机箱供应商与Pickering的LXI Modular Chassis (60-102/3/4)。

PXI标准规定机箱在使用了冷却降温手段后能够为每槽位提供25W的功率，要求冷却降温系统的气流从PXI模块底部流入顶部流出。PXI标准还要求PXI机箱能够为任意外设槽提供6A、+5V 的开关操作常用功率。

对于大电流与一些高密度开关应用，功率限制将会影响可闭合继电器的数量或模块允许的最大功率损耗。

每槽位25W功率限制是平均值，在时变条件下可超过此值，但是时长不应该超过热时间常数（通常测量为2分钟到30分钟时间，取决于结构），也就是说不能够长时间超过平均值25W。功率限制是平均值，但是若需大电流的槽位过多可能会导致机箱停机。PXI标准规定机箱可为外设槽时提供大于2A的平均电流@+5V。

PXI标准要求PXI供应商提供电源电流信息。Pickering在数据手册中提供了所有PXI模块的电源电流信息，PXI机箱的数据手册中还提供了机箱电源供电能力信息。

Pickering还在操作手册中为一些特殊情况中如何限制模块超过标准规定的热时间常数提供指导建议，例如40-139。在大多数情况下，用户不需要以超热时间常数的状态使用开关系统。

本文档用于在热管理与功率管理方面提供指导建议。

PXI开关模块的功耗

理论上，PXI开关模块的功耗源主要是三个方面：

• 静态负载功率

由模块的基础结构构成，包括PCI接口与继电器驱动。PCI接口负载一般很小；但是对于大的开关系统（例如BRIC），继电器驱动会消耗大量电流。PCI接口与继电器驱动会降低电流，无论机箱电源电压是5V还是3.3V。

• 继电器线圈电流

继电器的导通需要为线圈提供电流，随着闭合的继电器数量的增加，继电器线圈的功耗与模块的电流负载都会增加。舌簧继电器的线圈功耗比较低，典型值为10mA，然而EMR却很大。通常是EMR导致模块功率损耗增加与机箱电源供电能力下降的原因。

• 开关路径损耗

用户常常忽视这个因素，但是开关路径损耗是引起模块过热甚至高温的主要原因。例如，一组SPST开关的通路路径额定电流为2A，路径电阻为0.15Ω，那么每条路径的的功耗为600mW。高温会增加模块中镀铜电阻的阻值（每个C form电阻阻值会增加0.039%），阻值变大的电阻会以同倍数增加功耗。在一个模块中，160针的连接器可以支持80个SPST开关，不建议将所有开关路径进行闭合并激励2A电流，因为开关路径总功耗会高达48W。

大多数情况下，认为模块的静态负载是常数并且值相对偏小以简化热损耗的计算，所以在一些系统中静态负载不总是关键因素，例如在大规模矩阵模块中，当闭合的开关数量远远少于断开的开关数量时。继电器线圈负载可以根据供应商参数表中的线圈功率数据进行估算。

信号功率损耗/开关路径功耗可以根据每条路径的电阻与电流值进行计算。因为不同路径的电阻与电流值不同，所以需要简化计算。通常，开关路径承载额定电流的33%以上时，信号功率才会有明显损耗（开关路径损耗正比路径电流的平方，所以路经承载33%的电流，开关路径功耗大约为信号功率的十分之一）

简化计算后的数据表如下：PXI Power Calculation。提供了一种估算模块功耗的方法。根据静态功率、继电器线圈功率、开关路径阻抗计算功耗后列表与画图，绿色方框内功耗小于25W。

12V继电器

一些模块使用的继电器的线圈驱动电压为12V，例如汽车继电器或微波继电器。机箱的电源供电能力一般被限制在+5V以下，所以机箱电源如何为12V继电器提供足够的供电电流成为了一个疑点。微波继电器一般体积大，占用多个槽位，所以尽管它们会拉低机箱电源供电电流，但是一般不会出现机箱电源供电不足的问题。对于汽车继电器也有类似的情况，汽车继电器密度不是很高，一般不会出现机箱电源供电不足的情况。

可变速风扇

一些机箱中安装有可变速风扇，并且风扇可以设置为自动调速。对于一些比较关注风扇噪声的应用自动调速功能是个不错的选择，例如办公室环境。

当机箱内负载热损耗很低时，自动调速功能会将风扇调至低速模式。然而，当机箱内负载热损耗变化幅度较大或机箱内负载变化较大时，自动调速功能也会引起一些问题，下是导致问题的两个原因：

• 当机箱内有一个或两个产热量比较大的模块时，会导致机箱内局部温度过高，但是很可能不会触发风扇转换为高速运转模式，所以高热模块和机箱内的其他模块可能会因处于过热环境导致故障。
• 若机箱内有负载热损耗随时间大幅度变化的模块，可能会导致模块急速过热而机箱温度却变化缓慢，导致机箱风扇调速功能反应延时。

对与需要支持高热损耗模块的机箱，建议手动设置风扇而不是依赖自动调速功能。