Programmierbare DC-Stromversorgungen für automatisierte Testsysteme: Auswahl, Integration und Anwendungen

1. Was ist eine ATE-Stromversorgung?

Eine ATE-Stromversorgung ist eine programmierbare und fernsteuerbare DC-Stromquelle, die für die Integration in automatisierte Testabläufe ausgelegt ist. Im Unterschied zu Stromversorgungen, die vorwiegend für manuelle Labor- und Entwicklungsarbeiten eingesetzt werden, verfügt eine für ATE vorgesehene Stromversorgung typischerweise über Funktionen wie:

• Fernsteuerschnittstellen, beispielsweise Ethernet, GPIB, RS-232 oder Modbus
• Programmierbare Spannungs- und Stromsequenzen
• Rücklesefunktion für Spannung und Strom
• Schutzfunktionen, deren Status softwareseitig überwacht werden kann
• Für die Rack-Integration geeignete Bauformen, beispielsweise von 1U bis 6U

In einem typischen ATE-Rack arbeitet die Stromversorgung zusammen mit Messgeräten, Schaltsystemen, elektronischen Lasten und weiteren Komponenten. Gesteuert wird das System über eine Test-Executive oder eine Automatisierungsumgebung wie LabVIEW, Python oder C#. Entscheidend für den Einsatz einer programmierbaren DC-Stromversorgung im automatisierten Test ist daher die Möglichkeit, Ausgangswerte zu programmieren, definierte Spannungs- oder Stromsequenzen auszuführen, Messwerte auszulesen und auf Fehlerzustände ohne manuellen Eingriff zu reagieren.

Einen Überblick über verschiedene programmierbare Stromversorgungsfamilien bietet unser Leitfaden zu programmierbaren Stromversorgungen.

2. Bauformen: Tischgeräte, Rack-Mount-Systeme und Lösungen mit hoher Leistungsdichte

Die mechanische Bauform einer programmierbaren DC-Stromversorgung beeinflusst die Rack-Auslastung, Kühlung, Zugänglichkeit und die Gesamtarchitektur des Testsystems. Welche Bauform geeignet ist, hängt insbesondere davon ab, ob das Gerät für Entwicklung, manuelle Prüfungen oder die dauerhafte Integration in ein automatisiertes System vorgesehen ist.

2.1 Programmierbare Tisch-DC-Stromversorgungen für Entwicklung und Validierung

Eine programmierbare DC-Tischstromversorgung wird häufig in Forschung und Entwicklung, bei der Prototypenvalidierung, bei der Fehlersuche sowie in Teststationen mit geringer Stückzahl eingesetzt. Solche Geräte verfügen in der Regel über ein Frontdisplay und Bedienelemente für die direkte Bedienung sowie über rückseitige Schnittstellen für die Fernprogrammierung.

Diese Kombination ist insbesondere während der Entwicklung vorteilhaft: Ingenieure können das Gerät zunächst manuell bedienen und Testparameter festlegen. Mit zunehmendem Automatisierungsgrad lässt sich der Prüfablauf anschließend auf eine softwaregesteuerte Bedienung umstellen.

Zu den Tischgeräteserien von TPS gehören die EA-PSI 9000 DT Desktop-Serie und die EA-PS 3200-02 C. Weitere Geräte finden sich in der Kategorie programmierbare DC-Tischstromversorgungen.

2.2 Rack-Mount-Stromversorgungen für Produktionstestsysteme

Für dauerhaft installierte ATE-Systeme und Produktionstests sind Rack-Mount-Stromversorgungen in der Regel besser geeignet. Sie sind für den Einbau in standardisierte 19-Zoll-Racks ausgelegt und häufig in Bauhöhen wie 1U, 2U, 3U, 4U oder 6U verfügbar.

Das Rack-Format kann mehrere Anforderungen auf Systemebene unterstützen:

• Effiziente Nutzung des Rack-Platzes: Mehrere Geräte lassen sich vertikal in einem definierten Gehäuse anordnen.
• Planbare Luftführung: Die Kühlung kann auf Rack-Ebene statt ausschließlich für einzelne Geräte ausgelegt werden.
• Zentrale Kommunikation: Mehrere Instrumente lassen sich in eine gemeinsame Netzwerk- oder Steuerungsinfrastruktur integrieren.
• Skalierbare Testarchitektur: Zusätzliche Leistungskanäle oder Messgeräte können ergänzt werden, wenn sich die Systemanforderungen erweitern.

Bei der Auswahl der Bauhöhe sollte nicht nur die verfügbare Anzahl an Höheneinheiten berücksichtigt werden. Ebenso relevant sind Ausgangsleistung, Richtung der Luftführung, Kabelzugang, Wartungsfreundlichkeit sowie der Platzbedarf weiterer ATE-Komponenten.

Die Rack-Mount-Serien von TPS sind nach Bauhöhe gegliedert: 1U programmierbare DC-Stromversorgungen, 2U, 3U, 4U und 6U.

2.3 Stromversorgungen mit hoher Leistungsdichte für begrenzten Rack-Platz

In ATE-Systemen, in denen zahlreiche Geräte um begrenzten Rack-Platz konkurrieren, wird die Leistungsdichte zu einem wichtigen Auswahlkriterium. Eine höhere Leistungsdichte ermöglicht es, innerhalb einer gegebenen Rack-Höhe mehr Ausgangsleistung bereitzustellen. Dies kann insbesondere für kompakte Produktionstestsysteme oder Mehrkanalanwendungen relevant sein.

Mit steigender Leistungsdichte gewinnt jedoch auch das thermische Design an Bedeutung. Kühlleistung, Einschränkungen der Luftführung, Umgebungstemperatur und die Verlustwärme benachbarter Geräte sollten daher bereits bei der Systemauslegung berücksichtigt werden.

TPS bietet programmierbare Hochleistungslösungen an. Ein Beispiel ist die Übersicht zur 60-kW-programmierbaren DC-Stromversorgung.

Für Anwendungen mit besonders begrenzter Rack-Höhe stehen außerdem der Leitfaden zu 1U-programmierbaren DC-Stromversorgungen und der Leitfaden zu 2U-programmierbaren DC-Stromversorgungen zur Verfügung.

3. Kommunikationsschnittstellen: Ethernet, GPIB und Systemintegration

Die Kommunikationsschnittstelle bestimmt, wie die programmierbare DC-Stromversorgung mit dem Testcontroller verbunden wird und wie einfach sie sich in die vorhandene Automatisierungsarchitektur integrieren lässt. Die Auswahl sollte daher auf dem Steuerungssystem, der verfügbaren Softwareunterstützung, den erforderlichen Leitungslängen und der Kompatibilität mit vorhandenen Messgeräten basieren.

3.1 Ethernet für moderne Testautomatisierung

Ethernet wird in modernen ATE-Umgebungen häufig eingesetzt, da es die netzwerkbasierte Steuerung über standardisierte Infrastruktur ermöglicht. Abhängig von der jeweiligen Stromversorgung und deren Schnittstellenimplementierung kann Ethernet unter anderem folgende Möglichkeiten bieten:

• Netzwerkverbindungen über Kabellängen von bis zu 100 m bei standardmäßigen kupferbasierten Ethernet-Verbindungen
• Anschluss mehrerer Geräte über Netzwerk-Switches
• Protokolle wie SCPI über TCP/IP, Modbus TCP oder VXI-11, sofern vom jeweiligen Gerät unterstützt
• Fernüberwachung oder browserbasierter Zugriff bei Modellen mit entsprechender Weboberfläche

Ethernet kann die Integration vereinfachen, wenn Test-Executive, MES oder übergeordnete Systeme bereits IP-basierte Kommunikation verwenden. Das konkret unterstützte Protokoll und der jeweilige Befehlssatz sollten jedoch für das ausgewählte Gerät geprüft werden, da sich Ethernet-fähige Instrumente in ihrer Implementierung unterscheiden können.

3.2 GPIB für bestehende und ältere Testsysteme

GPIB bleibt insbesondere in bestehenden Testinstallationen relevant, deren Instrumente, Software und Prüfabläufe auf IEEE-488-Kommunikation basieren. In solchen Systemen kann eine programmierbare Stromversorgung mit GPIB die Integration unterstützen, ohne dass die komplette Steuerungsarchitektur neu aufgebaut werden muss.

GPIB wird weiterhin von etablierten Testautomatisierungsumgebungen wie LabVIEW unterstützt. Bei Retrofit-Projekten sollten unter anderem Adresskonfiguration, Treiberverfügbarkeit, Befehlskompatibilität und mögliche Unterschiede zwischen der neuen Stromversorgung und dem zu ersetzenden Gerät geprüft werden.

3.3 Modbus, RS-232 und weitere Schnittstellen

Industrielle Testsysteme können außerdem Modbus RTU, Modbus TCP, RS-232 oder herstellerspezifische Schnittstellen verwenden. Modbus kann geeignet sein, wenn eine programmierbare Stromversorgung in ein SPS-basiertes Steuerungssystem eingebunden werden soll. RS-232 bleibt für einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eine praktikable Option.

Die geeignete Schnittstelle sollte entsprechend der übergeordneten Automatisierungsarchitektur ausgewählt werden. Neben der physischen Verbindung sind dabei auch Befehlslatenz, verfügbare Softwarebibliotheken, Treiberunterstützung, Fehlerbehandlung, Triggeranforderungen und die Einbindung des Gerätestatus in den Prüfablauf zu berücksichtigen.

Die EA-PSI 9000 DT Serie ist ein Beispiel für eine programmierbare Stromversorgungsfamilie, die für die Integration in unterschiedliche Steuerungsumgebungen vorgesehen ist.

4. Wichtige Spezifikationen: Genauigkeit, Auflösung, dynamisches Verhalten und Schutzfunktionen

Spannung, Strom und maximale Ausgangsleistung definieren den grundlegenden Arbeitsbereich einer programmierbaren DC-Stromversorgung. Für die Bewertung im ATE-Einsatz reichen diese Angaben allein jedoch nicht aus. Zusätzlich sollten die folgenden Parameter mit den Anforderungen des Prüfablaufs und des Prüflings (DUT, Device Under Test) abgeglichen werden.

• Programmiergenauigkeit: Sie beschreibt, wie genau der tatsächliche Ausgangswert dem programmierten Sollwert entspricht. Die erforderliche Genauigkeit hängt von der zulässigen Versorgungstoleranz des DUT und den Grenzwerten der Prüfspezifikation ab.
• Programmierauflösung: Sie definiert den kleinsten Ausgangsschritt, der vorgegeben werden kann. Eine höhere Auflösung kann relevant sein, wenn Prüfsequenzen kleine Spannungs- oder Stromänderungen erfordern.
• Rücklesegenauigkeit: Sie beschreibt die Genauigkeit der von der Stromversorgung zurückgegebenen Spannungs- und Strommesswerte. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn diese Werte in automatisierte Gut-/Schlecht-Entscheidungen oder in die Prüfdokumentation einfließen.
• Slew Rate und Einschwingverhalten: Diese Größen beschreiben unterschiedliche Aspekte der Ausgangsdynamik. Die Slew Rate beeinflusst, wie schnell ein programmierter Ausgangswert geändert werden kann, während das Einschwingverhalten beschreibt, wie die Stromversorgung auf Laständerungen reagiert. Beide Parameter können bei Prüflingen mit definierten Einschaltprofilen oder dynamischem Strombedarf relevant sein.
• Schutzfunktionen: Abhängig vom jeweiligen Modell können Funktionen wie Überspannungsschutz (OVP), Überstromschutz (OCP) und Übertemperaturschutz (OTP) vorhanden sein. Für automatisierte Systeme kann die Möglichkeit, ein Schutzereignis über die Kommunikationsschnittstelle zu erkennen und auszulesen, eine strukturierte Fehlerbehandlung unterstützen.
• Leistungsdichte: Sie gibt an, wie viel Ausgangsleistung innerhalb einer bestimmten Rack-Höhe bereitgestellt werden kann. Eine höhere Leistungsdichte spart Rack-Platz, kann jedoch erhöhte Anforderungen an die Kühlung mit sich bringen.

Spezifikationswerte sollten grundsätzlich anhand der Dokumentation des jeweiligen Geräts geprüft werden. Anforderungen an Programmiergenauigkeit, Schnittstellen, dynamisches Verhalten und weitere Funktionen können sich je nach Produktserie und Betriebsbereich deutlich unterscheiden.

Für Anwendungen, bei denen eine 2U-Bauform zur Rack-Architektur passt, bietet der Leitfaden zu 2U-programmierbaren DC-Stromversorgungen weitere Informationen.

5. Integrationsaspekte: Verkabelung, thermisches Management und EMV

Eine erfolgreiche ATE-Integration hängt von der gesamten elektrischen und mechanischen Installation ab und nicht ausschließlich von der ausgewählten Stromversorgung. Verkabelung, Erdung, Remote Sense, Kühlung und Testsequenzierung sollten daher bereits während der Systementwicklung berücksichtigt werden.

• Ausgangsverkabelung: Der Leiterquerschnitt ist entsprechend Strom, zulässigem Spannungsabfall, Leitungslänge, Einbaubedingungen und den jeweils geltenden technischen Anforderungen auszulegen. Hochstromverbindungen sollten so kurz wie praktisch möglich gehalten werden. Verdrillte Leiter können dazu beitragen, die Schleifenfläche und damit verbundene elektromagnetische Einkopplungen zu reduzieren.
• Remote Sense: Sofern vom Gerät unterstützt, können separate Sense-Leitungen Spannungsabfälle in den Ausgangsleitungen kompensieren, indem die Spannung am Verbraucher und nicht ausschließlich an den Ausgangsklemmen der Stromversorgung erfasst wird. Dies kann insbesondere bei längeren Leitungen oder höheren Lastströmen relevant sein.
• Thermisches Management: Rack-Mount-Stromversorgungen verwenden häufig Zwangskühlung. Luftein- und -auslässe sollten frei bleiben. Bei der Dimensionierung von Lüftung oder Klimatisierung ist außerdem die gesamte thermische Verlustleistung des Racks zu berücksichtigen.
• EMV und Erdung: Programmierbare Stromversorgungen können sowohl elektrische Störungen erzeugen als auch durch Störungen beeinflusst werden. Eine geeignete Erdung, die Trennung von Leistungs- und Signalleitungen, gegebenenfalls erforderliche Schirmung sowie eine durchdachte Leitungsführung können die EMV-Eigenschaften auf Systemebene unterstützen.
• Testsequenzierung: Automatisierte Messungen sollten erst beginnen, wenn der programmierte Versorgungszustand erreicht ist. Je nach Anwendung können dafür definierte Einschwingzeiten, Statusabfragen, Software-Interlocks oder synchronisierte Trigger erforderlich sein.

Diese Aspekte sind besonders relevant, wenn bereits kleine Spannungsabweichungen, Schalttransienten oder Kommunikationsfehler die Wiederholbarkeit einer Prüfung beeinflussen können.

Für die Systemintegration stehen unter Zubehör für programmierbare Stromversorgungen verfügbare Rack-Mount-Komponenten, Steuerungsadapter und Kabelbaugruppen zur Verfügung.

6. Übersicht der programmierbaren DC-Stromversorgungen von TPS

TPS Elektronik bietet programmierbare DC-Stromversorgungen als Tisch- und Rack-Mount-Geräte für Anwendungen in Forschung und Entwicklung, automatisierten Testsystemen und Produktionsumgebungen. Die Auswahl sollte anhand des erforderlichen elektrischen Arbeitsbereichs, des Programmierverhaltens, der Kommunikationsschnittstellen, der verfügbaren Rack-Kapazität und der Anforderungen an die Systemintegration erfolgen.

6.1 Programmierbare DC-Tischstromversorgungen

Die programmierbaren DC-Tischstromversorgungen sind für Anwendungen vorgesehen, bei denen die direkte Bedienung über die Frontplatte neben der Fernsteuerung weiterhin eine wichtige Rolle spielt. Diese Bauform kann für Entwicklungslabore, Prototypenvalidierung, Serviceanwendungen und Teststationen geeignet sein, die manuelle und automatisierte Bedienung kombinieren.

6.2 1U-, 2U-, 3U-, 4U- und 6U-Rack-Mount-Serien

Für automatisierte Systeme und Produktionstests stehen programmierbare Rack-Mount-Stromversorgungen in unterschiedlichen Bauhöhen zur Verfügung:

• 1U: 1U-Serie für Anwendungen mit stark begrenzter Rack-Höhe
• 2U: 2U-Serie für Anwendungen, bei denen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Rack-Platz und verfügbarer Ausgangsleistung erforderlich ist
• 3U: 3U-Serie für Systeme mit größerem mechanischem und elektrischem Leistungsbedarf
• 4U: 4U-Serie für Rack-Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf
• 6U: 6U-Serie für Anwendungen, die eine größere Hochleistungsplattform erfordern

Die Bauhöhe allein entscheidet nicht über die Eignung. Vor der Auswahl sollten der tatsächliche Spannungs- und Strombereich, verfügbare Schnittstellen, Kühlanforderungen, Abmessungen sowie die modellspezifischen Funktionen geprüft werden.

6.3 Zubehör für die Systemintegration

Für die Systemintegration können zusätzlich Rack-Montagezubehör, Kabelbaugruppen, Kommunikationsadapter oder weitere Komponenten erforderlich sein. Verfügbare Optionen sind in der Kategorie Zubehör für programmierbare Stromversorgungen zusammengefasst.

Alle programmierbaren DC-Stromversorgungen ansehen →

7. FAQ: Programmierbare DC-Stromversorgungen für ATE