开关供应商在带宽需求方面面临的挑战

随着智慧城市、智慧工厂以及物联网的快速发展，开关系统的生产商正面临越来越大的压力，以确保他们的仪器设备能够适应最新的应用。开关在任何一个自动测试系统中都是关键部分，其技术创新从系统和子系统级别扩展到芯片和继电器级别。

在自动测试系统中，开关使测试资源能够被测试设备有效的共享。这是一个简单的概念，但是许多小的因素决定了针对每个应用或独立的测试任务最合适的开关系统。无论是测试与测量仪器、军事设备、通讯系统、汽车电子产品还是医疗设备，选了一个合适的开关系统，对每个工程师来说都是一个挑战。供应商存在的意义就是帮助工程师选择合适的开关系统。一旦开关系统选择完毕，供应商就会越来越多的增加他们公司自己的软件来帮助最大化系统的优势及潜能。

Pickering Interfaces的产品技术专家，PXI系统联盟主席Bob Stasonis先生谈到影响高密度开关系统的其它几个关键因素。

“随着复杂的电子控制单元（ECU）在所有电子行业-尤其是汽车、航天和半导体行业的普及，加上不断增加的产品上市时间压力，使用实时硬件在环（HIL）系统对ECU进行自动的功能验证就变得越来越重要。在大多HIL系统中一个关键组成部分是自动故障仿真，Pickering Interfaces看到了用于多数量IO的ECU测试的高密度故障注入开关需求越来越大，尤其在自动化和航空航天工业方面。”

Bob Stasonis先生继续谈到：“Pickering经常根据客户的需求将开关密度做到极限，高密度开关模块的新趋势包括日益增长的带宽需求和在一些市场尤其是半导体工业上，对隔离电阻的验证。目前，我们平均的隔离电阻规范为10^9
Ω。我们的一些BRIC高密度矩阵的隔离电阻测试出来要高于10^11Ω。”

Trending 趋势

我们在Electronic Engineering上咨询了一些领先的电子测试和测量的仪器供应商关于他们所看到的高密度开关系统的最新或者在未来1-2年内所期望看到的趋势。以下是他们再最近的新闻发布会上告诉我们或者说过的话：

Grant Gothing，chief technology officer at Bloomy：“大型航空航天和汽车电子方面的HIL测试使得OEMs和航空航天制造商能够更快的开发和验证新的硬件和软件设计，以应对被测试单元真实情况下可能出现的一些情况。HIL测试一大部分是真实模拟切换和故障注入。真实模拟切换意味着每个I/O点必须能够在模拟的模型驱动信号和真实的组件（执行器、传感器、控制器等）之间进行物理切换。故障注入开关需要注入各种故障（开路、断路、引脚短路、反极性、短接地、与轨道短路、相邻信号短路）来确保被测设备反应适当。这些需求意味着需要大量的开关，每一个简单的2线模拟信号可能需要6-12个继电器，以确保能够排除故障和真实模拟连接的所有交换。提高开关密度和可扩展性对开发大型汽车发动机和航空航天HIL测试系统至关重要。”

Mike Dewey, director of marketing at Marvin Test Solutions：“总体而言，我们看到高密度交换系统正继续向像MAC Panel SCOUT的无电缆界面转移。高密度开关切换系统需要高密度的I/O，从电缆接口转移到无电缆接口以确保足够的性能并提供可靠的接口。客户要求的通道数越来越多，也就要求供应商寻找更小体积的继电器，以及识别更高密度的I/O连接，这对3U形式的PXI来说是一个特别的挑战。”

Nick Turner, CEO of Cytec：“总体来说，我们最近在这个领域上没有接触更多的需求。虽然许多客户希望设备尽可能的小，但是他们最关心的还是性能和价格，尺寸往往在优先级列表中比较低。我们看到这三个方面是大型开关组中的一个问题，在大型开关的作用下人们想要分组切换更大数量的线缆，举例：一个1*16的开关一次切换250个线缆，在最终用户想要交叉连接数百个输入和数百个输出时使用的高密度通信矩阵，以及大电流开关。在更小的尺寸中完成这些工作的固态技术正变得越来越普遍，成本也越来越低。”

John Brown, application engineer at Tektronix：“关于开关和数据采集发展趋势，我们看到电压、温度、电阻等基本测试需求有跟多相同之处，这些需求为其他的一些研究奠定了基础。许多强大的ASIC设备要求仪器硬件工程师创建增强特性，如在指定仪器的用户界面上更详细和可视化的数据显示。随着更高额容量应用程序需求的增加，客户关注的是可以提供更大的开关通道数和更快的切换速度的解决方案。”

Vijay Kulkarni, CEO of GL Communications：“随着互联网设备的爆炸式增长和物联网时代的到来，更高密度的开关需求在不断增长。随着千兆以太网接口的增加，供应商们正在推出带有千兆以太网接口的开关产品，带有12或者24千兆端口的以太网开关设备变得越来越普遍。另外一个趋势是对更高的数据容量的需求，10千兆以太网连接变的越来越普遍，越来越多的用户从1G转变到10G。高密度千兆以太网开关设备通常有2或4个10G接口。并且，当最终用户在其办公场所切换到“ALL 10G”环境时，有4/8/16/24个10G端口的高密度“ALL 10G”的开关设备也将被配置。”

Trade-offs 取舍

为了支持更高的密度，供应商常常不得不在其他开关方面做出牺牲，比如降低信号振幅和最高频率。

Pickering公司的Stasonis提到在将高密度设计和低密度模型进行对比时，需要考虑很多因素。更大的板卡空间-如VXI模块-将导致更长的信号路径，这将增加路径电容，最终导致带宽降低。

他补充说像PXI这种更高密度的形式将有更好的带宽，因为PCB的信号路径更短，但是缺点就是组件之间的距离更新，可能会增加串扰。另外，在非常高密度的设计中，PCB的路径将会挨得非常近，因为隔离度也将会降低。选择的继电器类型会影响隔离电阻。

Stasonis 提到“高开关密度会导致更低的热/冷切换电压，主要是因为如上所述的在非常密集的结构中，因为其他组件的临近，较高的电压会表现出更高的串扰，因此生产商降低了热/冷切换电压来管理串扰。”

Stasonis接着详细阐述了高密度开关系统中Trade-offs的总体概念，以及他的公司是如果致力于提供客户指定的的开关解决方案，而不是像只是提供一个平台选择那样的Trade-offs。

Stasonis 提到“一般来说，认为更大的板载空间（如VXI）会比PXI带来更高的性能的想法是不正确的。每一种设计都有它的利弊。应用程序和需求指标需要表明需要的是高密度设计或者低密度设计。这是Pickering有许多可选方案的原因之一；我们是一个提供开关解决方案的公司，不受任何特定体系结构的约束。我们使用正确的平台来适配客户的需求，而不是让客户将特定的平台硬塞进他们的系统设计中。如果一个应用需要更高的密度和/或更高的功率和/或更高的电压，而PXI平台无法满足时，我们能够在我们的LXI系列产品中提供更大形式的解决方案。”

以上就是其他供应商们在trade-offs上提到的观点。

Brown, Tektronix：“这里是Tektronix的Keithley分部。我们在几年前就解决了固态切换的需求，但更重要的是服务于期望有更快的切换速度以便在更短的时间内完成高质量测试的客户。这有助于在某些情况下提升更大的吞吐量，例如在生产环境中的功能测试，在这种环境中，仅提高密度不能满足客户的需求。开关系统供应商获取更高开关密度（一般来说，是更多通道）的一种方法是利用硬件中可用的不同触发方式。这允许用户使用菊花链来连接多个单元来增加通道序列；或者让他们在临界时间上并行触发/切换。”

“当一个新的开关选项（板卡或者模块）集成到现有的主框架中时，设计者将考虑如何针对更小的开关设备来优化PCB空间，路径电阻/开关电流以及任一/所有涉及到的组件的功耗和散热。”

Jon Semancik, director of marketing at Ametek Programmable Power：“固态开关有一些优势，如切换速度、寿命，但是其他关键的操作参数，如带宽、泄露电流等会限制他们在某些高性能应用中的使用。”

其它因素

虽然测试系统占用的空间大小很重要，但是它的灵活性、可靠性和成本也很重要。以下是供应商们关于公司提出的降额建议不得不说的话，以及在与更大形式因素和更高密度的相关技术带来的性能优势上的一些想法。

Stasonis, Pickering：“对于需要长寿命功能的国防和其他高可靠性的应用，应该适当的降低额定值。降低多少取决于应用程序—例如设备将受到高功率和/或电压峰值的影响。Pickering Interfaces可以就在设备必须运行的操作环境和条件下针对合适的产品给出建议。”
“性能优势取决于具体的测试应用，但通常情况下，高密度开关系统的信号路径更短，可以获得更好的信号完整性和更低的信号路径电容。然后，另一方面，高密度开关产品可能导致较低的隔离电阻。使用的开关模块也会影响其性能。举个例子，如果将多个模块一起布线形成一个高密度矩阵，因为信号路径长度和使用的布线会引起电容的增加进而影响其整体性能。使用像Pickering BRIC这样具有独特的形式/因素的开关模块将会提供更好的模拟性能，Y轴上的智能隔离继电器将最小化存根长度，这可以在高频情况下提高信号完整性。”

Turner, Cytek：“尽管固体继电器在降低其尺寸和成本上取得了一定的进步，但一个开关系统的尺寸大小仍有许多其他的限制因素，不管开关本身的尺寸降低到多小。这些因素包括：

1. 连接器密度和配置。如果一个人想要一个2561的多路复用，但是前面板需要257个连接器的空间。如果他们想要的不是高密度连接器，那么继电器有多小就不重要了。他们仍然需要是和BNC数量或者螺杆终端连接器的机架高度的产品。另一方面，如果他们需要一个6464的矩阵开关，他们需要4096个开关，但只是128个连接器，所以使用非常小的继电器或者高密度的开关结构可以节省大量的空间。
2. 电压和电流。固态继电器在小电压和小电流的应用中为减小开关系统的体积做了很大的贡献。我们有一个256*256数字TTL矩阵，在大概1平方英寸的FPGA上面有65536个开关。但是固态继电器与更大一些的机械继电器相比，往往只是应用于特定的应用中，在相同的封装尺寸下，后者往往可以处理几百V的电压和几A的电流。固态继电器热切换电流可能无法处理任何高压信号。在高电压下工作良好的会有更高的电阻。高电压会抵消固态继电器的优点，因为需要再组件和连接器之间进行物理分离之后再处理电压。
3. 频率。小型固态RF继电器在射频领域开辟了另一个有利可图的市场，因为它可以非常快速的进行切换并且在高频下工作良好，但是它们常常不可以处理DC或者大功率信号。所以，再次印证了它仅仅在特定应用中使用。一旦进入高频领域，你就又会收到连接器的限制。虽然最新的微型同轴连接器可能适用于您的手机天线，但是在人们习惯使用BNC、F、SMA连接器的机架安装测试设备中，使用它们可能会变得很棘手。

Brown. Tektronix：“关于降低扫描速率，用户应该特别注意有关扫描速率的规范细节。虽然核心万用表规范往往侧重于最佳的默认系统设置，以提供最高质量读数的洞察力，但切换可能会影响质量。我们尽了最大的努力来确保客户知道，当扫描/切换速率较高时，可能会有一些得失。为了获得更大的速度，我们可以禁用测量自动延迟和自动调零，或减少测量孔径时间。这将有助于加快数据采集，但增加了信号噪声不被从读数中消除的可能性。在这个领域取得成功的关键是灵活性和降低每个通达的成本。”

Semancik Ametek：“可用来开关解决方案的物理空间直接受到所使用的接口的影响。举个例子，PXIe板卡上面只有有限的区域用于实际开关切换部分，因为必须为数字接口和空间提供空间。另一方面，根据供应商的设计标准，LXI提供了更大的空间。在基于PC的架构(如PXle)中，一般的空间缩减会直接影响串扰和信号隔离等参数。减少信号路径和其他设计特征之间的间距，如地面平面的布置，将会严重影响带宽和噪声。”

Gothing Bloomy：“Bloomy的HIL仿真系统解决方案是基于模块化的架构，使用了大量的仪器和开关板卡。通过使用这种模块化的架构，Bloomy的HIL仿真平台可以按比例放大或缩小以满足客户的需求，此外，通过混合和匹配具有不同拓扑结构的板卡，还可以建议切换架构来满足需求。”

Kulkarni, GL Communications：“这种高密度1G/10G开关的测试需要相应的高密度测试设备，具有高密度的端口。为了正确地测试这种高密度开关，测试设备必须能够同时在其所有1G/10G端口上以1Gbps或10Gbps的速度产生和处理通信量。也就是说，要测试一个12或24端口的千兆以太网交换机，测试设备必须能够在所有12/24端口上产生Gbps速率，同时能够处理交换机返回的流量，并进行数据分析，总容量为24Gbps或48Gbps。同样的，测试一个3/6个10G端口的交换机，需要总共60/ 120Gbps的流量能力。”

Now on the market 市场现状

随着固态开关和超小型继电器的性能不断提高，使得开关组件的密度越来越高。对于开关仪器的供应商来说，这需要不断地进行技术改进，并利用它们来开发新的密集开关解决方案。

以下是测试测量仪器供应商针对最新的高密度开关产品的看法：
Pickering Interfaces提供高密度的测试与仿真产品，但它的姐妹公司Pickering Electronics是最新开关元件器的供应商。Pickering Electronics开发和生产微型舌簧继电器，最新型号是120系列，据Stasonis讲述该系列产品是工业上1A尺寸最小的继电器（长3.9mm，宽3.9mm，高15.5mm）。Stasonis 提道“与pickering之前的高密度1A开关相比，这个继电器使得在PCB上的继电器数量几乎增加了一倍，为我们的客户提供了强大的功能。” Pickering舌簧继电器还包括Mu金属屏蔽层，以确保办卡上非常紧密封装的开关之间没有干扰。“这是至关重要的，因为我们服务的许多应用都是“关键任务”-这就意味着绝对不可以失败” Stasonis 继续说道。

Pickering Interfaces使用新的120系列继电器的第一个产品是超高密度的PXI矩阵模块， 40-559系列BRIC矩阵，在PXI模块中提供了多达4096个交叉点。与Pickering之前的1A BRIC矩阵40-562A相比，40-559的开关密度几乎是40-562A的两倍（1.94倍）。除了密度，120系列一个更大的优势是电流额定值比其他同等尺寸的继电器高4倍多。有2槽，4槽或8槽的PXI大小可供选择，这些PXI矩阵可以使得一个完整的功能ATE系统封装在一个3U的PXI机箱中。

2018年，Pickering生产除了2A的PXI故障注入开关模块，可以允许11或22个信号对通道。这些模块主要用于模拟汽车和航空电子设备测试应用中涉及安全关键控制器可靠性测试的故障情况。Pickering公司最近还推出了65-221高密度模块化LXI以太网舌簧继电器矩阵，最初设计该矩阵是为了在晶圆和封装层面测试半导体。该解决方案结合了Pickering最新的LXI机箱及其新的插件矩阵。

Marvin Test Solutions刚刚为其GENASYS switch系列产品推出了一个额外的模块——GX6188，它具有一个8104矩阵加上一个额外的88矩阵，用于促进多块开关板卡的“联合”以构建更大规模的矩阵。此卡可作为6U PXI系统的一部分或GENASYS系统的一部分进行集成。MTS的Dewey指出GENASYS架构地址灵活性和可靠性的原因是通过端到端的开关切换软件- SwitchEasy，简化了从仪器到被测单元（UUT）的信号路由，并且防止可能损坏系统或UUT的信号的路由或连接。此外，GENASYS子系统还包括用于计数和记录继电器闭合总数的机载电路，为预测继电器寿命提供了预测数据。

今年4月，Tektronix推出了新的DAQ6510数据采集和万用表系统。Brown指出，该系统占地面积小，灵活性强，只有半机架宽，最多可提供80个多路复用器通道。DAQ6510有大量的连接头，在其开关模块部分引入了许多D型连接器，可在系统维护期间或在设置新的测试系统时更改插件切换模块，从而最小化停机时间。与此同时，Keithley将于2018年7月发布3700A系列系统开关/万用表，包括基础3706A系统开关/万用表主机，以及增加灵活性的三个选项。这台主机包含6个插槽，可插入2U高(3.5英寸/89毫米)外壳的板卡，以适应中通道或高通道计数应用程序的需要。当满载时，主框架可以支持多达576条双线多路复用通道或2688条单极矩阵交叉点。

对于Cytec来说，Turner无法谈论该公司最近针对客户的开关解决方案的细节，但他分享了有关其特制的DXM/128x128矩阵的信息。用于切换空线通信信号标准。它是一种非阻塞的、全扇形输出矩阵，用于卫星地面站和重定向信息。该系统目前正在部署最新的GOES-R气象卫星。