基于l9000系統(tǒng)的DC-DC電源模塊測試技術(shù)

姚 鼎

（中船重工第七一六研究所，江蘇連云港，222000）

基于l9000系統(tǒng)的DC-DC電源模塊測試技術(shù)

姚 鼎

（中船重工第七一六研究所，江蘇連云港，222000）

測試是篩選試驗中檢驗元器件性能的核心手段，是檢驗在經(jīng)過各種試驗項目后元器件電氣性能是否完好的唯一方法。本文通過對DC-DC電源模塊的原理性能，主要測試指標(biāo)、測試模型進(jìn)行分析研究，基于I9000電源模塊測試系統(tǒng)，利用通用硬件資源，開發(fā)通用型測試環(huán)境、測試夾具，實現(xiàn)全面、可靠、符合要求的測試手段和方法，解決目前電源模塊參數(shù)測試不全面、測試效率低以及大批量、多種類、多封裝形式DC-DC電源模塊測試需求的問題。

DC-DC電源模塊；測試技術(shù)；測試夾具

0 引言

DC-DC電源模塊作為開關(guān)電源的一大分支，在市場份額上占據(jù)主導(dǎo)地位并且廣泛應(yīng)用在計算機(jī)、通信、航天、國防等各個重要領(lǐng)域中。其測試主要向高精度、高功率、全參數(shù)、全功能等方面發(fā)展，在多種功能、多種封裝等測試要求下，傳統(tǒng)的人工介入測試方式、低效能的多管腳逐個測試連接方式已經(jīng)無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要，本文以檢測中心現(xiàn)有I9000電源模塊測試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開展DC-DC電源模塊測試技術(shù)分析研究，利用通用的硬件資源，開發(fā)通用型測試環(huán)境，設(shè)計通用型測試夾具，解決目前電源模塊參數(shù)測試不全面問題以及多種類、多封裝的DC-DC電源模塊測試需求的問題，提高測試質(zhì)量及測試效率。

1 DC-DC電源模塊測試技術(shù)研究

DC-DC電源模塊是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓，為將輸出電壓穩(wěn)定在一定的精度，其基本組成如圖1所示，其中DC-DC變換器用以進(jìn)行功率變換，是電源模塊的核心部分；R1、R2為輸出采樣電路，用以檢測輸出電壓變化；驅(qū)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，可以是PWM信號、PFM信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進(jìn)行比較運算，控制開關(guān)信號的幅值、頻率、波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，電源模塊還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護(hù)、輸入濾波、噪聲濾波、輸出采樣、功能指示等電路。

圖1 DC-DC電源模塊的基本組成

電源模塊原理性能的差異會造成在測試中對測試環(huán)境要求不同的情況，比如：有的DC-DC電源模塊不能空載測試；有的DC-DC電源模塊輸入不能從0V開始加電；有的DC-DC電源模塊必須配置必要的外圍電路，否則無法工作等等。

1.1 DC-DC電源模塊基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC-DC電源模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電源模塊的核心電路，也是常說的主電路，可分為兩種基本類型：非隔離型（在工作期間輸入源和輸出負(fù)載共用一個共同的電流通路）和隔離型（能量轉(zhuǎn)換是用一個相互耦合磁性元件變壓器來實現(xiàn)的，而且從源到負(fù)載的耦合是借助于磁通而不是共同的電流回路）。非隔離型電路比隔離型電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但多數(shù)應(yīng)用需要電源模塊的輸出端與輸入端隔離，或需要多組相互隔離的輸出，所以，隔離型電路的應(yīng)用較廣泛。而非隔離型電路也有不少應(yīng)用，如開關(guān)型穩(wěn)壓器、直流斬波器等。本文以非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的降壓型（Buck）電路和隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正激式（Forward）電路為例開展DC-DC電源模塊工作原理分析研究，具有很強(qiáng)的代表性和針對性。

1.1.1 降壓型（Buck）電路基本原理

降壓型（Buck）電路是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器，實現(xiàn)的是降壓變換，主電路由開關(guān)管Q、二極管D，輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構(gòu)成，存在電感電流連續(xù)模式（Continuous Conduction Mode—CCM，輸出濾波電感L的電流總是大于零）和電感電流斷續(xù)模式（Discontinuous Conduction Mode—DCM，開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時間L的電流為零）兩種基本工作模式，電路圖和主要波形圖如圖2所示。

圖2 Buck型電路的電路圖及其主要波形

1.1.2 正激式（Forward）電路基本原理

正激式拓?fù)潆娐穼嶋H上是在Buck降壓電路中加入隔離變壓器構(gòu)成，開關(guān)管Q按照PWM方式工作，二極管D1是輸出整流二極管，D2是續(xù)流二極管，電感L1是輸出濾波電路，電容C是輸出濾波電容。隔離變壓器有三個繞組：初級繞組W1，次級繞組W2和復(fù)位繞組W3，圖中繞組標(biāo)有“· ”符號的一端表示是繞組的始端，二極管D3是復(fù)位繞組W3的串聯(lián)二極管。和Buck降壓變換器一樣，也有電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作模式，開關(guān)管Q有導(dǎo)通、關(guān)斷、關(guān)斷（磁復(fù)位完成）三種開關(guān)模態(tài)，電感電流連續(xù)時的工作原理和基本關(guān)系的電路圖及主要波形圖如圖3所示。

圖3 正激式電路的電路圖及其主要波形

1.2 DC-DC電源模塊主要測試參數(shù)分析

DC-DC電源模塊是否滿足電氣性能要求，是通過電性能測試來驗證的，國內(nèi)的DC-DC電源模塊測試標(biāo)準(zhǔn)主要是SJ 20646-97《混合集成電路DC-DC變換器測試方法》，標(biāo)準(zhǔn)中包含了DC-DC電源模塊17個參數(shù)的測試方法，其中多數(shù)檢測機(jī)構(gòu)開展的參數(shù)測試主要有：輸出電壓、輸出電流、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、交叉調(diào)整率、效率、輸出紋波與噪聲、啟動延遲。圖4是典型單路輸出DC-DC電源模塊測試電路原理圖。

圖4 DC-DC電源模塊基本測試電路圖

其中輸出電壓參數(shù)雖然可以在I9000測試系統(tǒng)上實現(xiàn)測試，但由于原測試程序是通過數(shù)字電壓表直接測試并顯示，沒有考慮測量儀器的可選擇性、夾具造成的測量誤差和結(jié)果顯示與產(chǎn)品手冊的對應(yīng)關(guān)系等問題，造成在測試中誤差無法實現(xiàn)補(bǔ)償，顯示結(jié)果需要換算才能與產(chǎn)品手冊相對應(yīng)；電壓調(diào)整率、電流調(diào)整率和交叉調(diào)整率三個參數(shù)都是在DC-DC電源模塊不同工作狀態(tài)下測量出的結(jié)果，由于不同類型的DC-DC電源模塊對參數(shù)的定義有差別，甚至相同類型的DC-DC電源模塊不同生產(chǎn)廠家對于參數(shù)的定義也有區(qū)別，因此一種測量運算方法難以滿足通用性的要求，在應(yīng)用編程時需要花費大量的時間進(jìn)行調(diào)試，且對調(diào)試人員的技術(shù)能力要求較高；通常這幾個參數(shù)對測量誤差要求較高，而現(xiàn)在的測量方式難以進(jìn)行誤差的控制，在測量當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)由于測量誤差造成實測值大于真值的現(xiàn)象，給測量結(jié)果的判定帶來困來,影響測試質(zhì)量；輸入電流的測試雖然在系統(tǒng)中可以實現(xiàn)測試，但測試的方式是采用輸入源的測量功能單元實現(xiàn)，這種測量方式的精度有限，在測量大電流時誤差可以接受，但在測量空載或低載時的靜態(tài)電流時，由于測量值本身很小，為mA級，而輸入源的測量單元在測量小電流時的誤差就在幾個mA左右，因此測量結(jié)果無法接受，必須采用精度更高的測量單元來實現(xiàn)此類測量；效率的測量與輸出電壓的測量問題類似，測量誤差造成難以正確判斷。而對于一些特殊的DC-DC電源模塊，在測試過程中源或負(fù)載的變化方式如不注意，會造成DC-DC電源模塊工作異常，使測試失敗，形成誤判。

1.3 基于I9000測試系統(tǒng)多參數(shù)綜合測試的實現(xiàn)

I9000測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由控制單元、測量單元、激勵單元和測試夾具四大部分組成?？刂茊卧饕晒た貦C(jī)及接口電路組成，它通過軟件程序?qū)φ麄€系統(tǒng)進(jìn)行控制，以完成各項測試任務(wù)；測量單元包括數(shù)字電壓表、示波器、數(shù)字功率計等儀表，完成測試任務(wù)中的狀態(tài)測量工作；激勵單元有函數(shù)信號發(fā)生器、直流電源、電子負(fù)載等儀器，完成測試任務(wù)中被測器件工作狀態(tài)的建立；測試夾具是連接測試系統(tǒng)與電源模塊的裝置，完成將系統(tǒng)資源按照測試要求與被測器件管教連接的功能。

測試過程采用工控機(jī)通過IEEE-488總線連接控制電壓源、電子負(fù)載和各種測量單元，將測試項目作為參數(shù)測試的基礎(chǔ)，每個測試項目可以包含多個測試參數(shù)的測試，多個測試項目的組合完成DC-DC電源模塊的整個測試過程。為了使測試系統(tǒng)更加通用，滿足工程應(yīng)用的需求，在測試項目中采用測試向量和臨時變量的設(shè)計方式，將規(guī)格參數(shù)和時間參數(shù)等變量值可變，使測試項目滿足各種規(guī)格及精度的DC-DC電源模塊的測試。同時，為了使測試項目之間能夠建立聯(lián)系，提高工程應(yīng)用時的測試文件生成速度和調(diào)試效率，將常用變量設(shè)計成全局變量，在每個被調(diào)用的測試項目變量設(shè)置中都可以直接利用，而不需要在每個測試項目變量設(shè)置中重復(fù)設(shè)置。針對特定DC-DC電源模塊測試時，只需要簡單變換測試向量和變量，即可快速調(diào)試并生產(chǎn)符合要求的測試文件。

DC-DC電源模塊的完整測試是在特定的硬件資源配置下，將被測DC-DC電源模塊通過測試夾具接入系統(tǒng)，并將變量和向量在軟件中賦值后將多個測試項目按照用戶調(diào)用順序逐個執(zhí)行，完成工控機(jī)對硬件資源的控制，并將測量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\算，最后得到所有參數(shù)的測試結(jié)果，每種DC-DC電源模塊都有一個特定的測試文件，測試文件包括了硬件資源配置、多個測試項目組合、變量和向量賦值。下圖是實際測試過程中，測試文件的執(zhí)行過程，其中各個環(huán)節(jié)中的參數(shù)及變量在生成測試文件時設(shè)置。

1.4 測試夾具開發(fā)

測試夾具是連接測試系統(tǒng)與電源模塊的裝置，是實現(xiàn)測試的必要裝置，在測試系統(tǒng)中起著不可替代的作用，直接影響測試的準(zhǔn)確性、全面性、安全性。由于DC-DC電源模塊的設(shè)計和加工方式不同，包含多種封裝形式，且電源模塊是功率器件，因此在測試夾具設(shè)計上需要有符合測試要求的解決方案，既能滿足多參數(shù)測試要求，又能滿足通用性和批量性測試需求，同時兼顧精度和安全上的要求，保證測試過程及結(jié)果的準(zhǔn)確、有效。

圖5 DC-DC電源模塊參數(shù)測試實現(xiàn)

圖6 測試文件執(zhí)行流程

I9000測試系統(tǒng)搭配的通用測試夾具通過轉(zhuǎn)換插針、測試夾及外部電路等連接方式來實現(xiàn)多參數(shù)測試的目的，每一次測試都需將測試夾連接樣品引腳，測試效率低，且電源模塊是功率器件，高電壓、大電流模塊也給測試過程帶來一定的危險性，原有的人工介入，低效能、高風(fēng)險的多管腳逐個測試連接的夾具測試方式已經(jīng)無法滿足批量測試的需要。

圖7 子母夾具設(shè)計圖

針對這一情況，通過子母夾具的設(shè)計方式，提升電源模塊測試效率和測試安全性。其中，母夾具提供統(tǒng)一的、通用的輸入、輸出接口，直接與測試系統(tǒng)相連，將各種硬件資源引入其中，母夾具的設(shè)計以接口設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計為主，并充分考慮子夾具的大小及資源的接入要求；子夾具根據(jù)不同器件類型、管腳定義、外觀尺寸、測試指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，并用機(jī)械安裝模式代替手動連線，子母夾具的設(shè)計要求外圍電路少、布線合理、不需額外增加濾波處理、可靠性高（耐插拔10000次以上）、壽命長，可有效解決工程化應(yīng)用的批量通用測試問題,同時又保證測試的全面性和準(zhǔn)確性。

2 結(jié)束語

本文基于I9000測試系統(tǒng)針對常用的DC-DC電源模塊電性能測試參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，使測試系統(tǒng)具有通用性和批量測試能力，可以滿足多種測試的要求，并利用系統(tǒng)提供的資源建立多種測試解決方案，為器件級測試程序編程提供靈活、方便的參數(shù)設(shè)置方式，并提供多種測試程序調(diào)試手段，提高測試效率及批量測試能力。

[1] 趙鈺.DC-DC模塊電壓發(fā)展?fàn)顩r及趨勢[J].混合微電子技術(shù).2009.19（1：25-33）.

[2] 沈顯慶,張繡,鄭爽等.開關(guān)電源原理與設(shè)計[M].東南大學(xué)出版社,2012.12.

Testing technology of DC-DC power supply module based on I9000 system

Yao Ding
(No. 716 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Lianyungang Jiangsu,222000)

As core approach of inspecting component performance in screening method, the test is regarded as the optimum method to inspect whether electrical performance of the component is perfect. By analyzing and researching principle performance, main test specifications, and test model of DC-DC power supply module, the program based on I9000 power module test system utilizes general hardware resources and develops general test environment and test jigs, so as to realize comprehensive and reliable test method and approach complying with requirement and solve current problems of power module test with un-comprehensive parameters and low test efficiency and DC-DC power supply module test requirements with large batches, multiple categories, and varied encapsulation forms.

DC-DC power supply module；Test technology；Test jigs

姚鼎（1987.3-），男，工程師，江蘇連云港人，從事元器件檢測技術(shù)研究。