DC-DC電源模塊通用測試方法設(shè)計*

馬 程 閻燕山 劉春冉

（中國航空無線電電子研究所 上海 200241）

1 引言

電源模塊廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)自動化、電力控制、軍工等行業(yè)，主要用于實現(xiàn)電源系統(tǒng)的隔離降噪、電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、保護(hù)等功能。電源模塊的性能及可靠性直接影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量，對于航空航天等軍工領(lǐng)域，電源模塊在裝機(jī)使用前需要進(jìn)行二次篩選，設(shè)計專用的插座適配器是提高電源模塊性能測試效率和安全性的重要手段。

電源模塊典型性能參數(shù)通常包括輸出電壓、輸入電流、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、效率等。在性能參數(shù)檢測過程中，需要使用的測試設(shè)備包括直流電源、電子負(fù)載、數(shù)字電壓表、示波器等，插座適配器與外部測試設(shè)備的接口有電源接口、負(fù)載接口、輸入/輸出電壓測試接口、示波器接口等。

不同電源模塊插座適配器的外部接口相似，但是其結(jié)構(gòu)、布局設(shè)計可能不同，例如電源模塊與插座適配器連接方式包括爪簧插座連接，雙列單鎖緊座連接，單列雙鎖緊座連接等。同時，外部接口的種類、數(shù)量和位置也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上影響了電源模塊插座適配器的通用性，增加了其設(shè)計制造成本。

因此，本文提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的適配器結(jié)構(gòu)模型，并基于電源模塊引腳分布數(shù)據(jù)、插座適配器區(qū)域分布數(shù)據(jù)建立了一種通用適配器設(shè)計方法，形成了電源模塊從新品導(dǎo)入、批量測試到適配器管理全周期的數(shù)字化檢測管理方法。

2 通用插座適配器結(jié)構(gòu)設(shè)計

電源模塊通常包含雙列引腳結(jié)構(gòu)，如圖1所示。同列引腳間距y通常為2.54mm的整數(shù)倍，不同電源模塊引腳列間距x差異可能較大，通過采用雙列單鎖緊座結(jié)構(gòu)用于插座適配器與電源模塊的連接，可以減小引腳列間距x的差異對適配器通用性的影響。

圖1 典型電源模塊結(jié)構(gòu)

通用插座適配器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。外部接口區(qū)域?qū)崿F(xiàn)測試設(shè)備與插座適配器的互連，PCB布線區(qū)域?qū)崿F(xiàn)電源、負(fù)載等接口與電源模塊相應(yīng)引腳的連接，器件安裝區(qū)域?qū)崿F(xiàn)電源模塊在插座適配器上的插裝更換，此結(jié)構(gòu)模型規(guī)定了插座適配器的接口位置以及電源模塊插裝區(qū)域的結(jié)構(gòu)。

圖2 通用插座適配器結(jié)構(gòu)模型

3 電源模塊引腳分布分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型量化

典型電源模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了實現(xiàn)電源模塊引腳分布的數(shù)字化管理，對典型電源模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象、建模和編碼，如圖3所示。規(guī)定電源模塊引腳垂直向下時，左上角第一個引腳為坐標(biāo)零點建立笛卡爾坐標(biāo)系，編碼方向為視圖逆時針方向。

圖3 電源模塊簡化模型

對于電源模塊簡化模型中的任意一個節(jié)點，應(yīng)當(dāng)包含以下信息：

1）引腳坐標(biāo)（x，y）；

2）引腳類型k；

3）引腳直徑d。

電源模塊編碼為i的引腳可以數(shù)字化為

進(jìn)一步可以將整個電源模塊量化為n個引腳節(jié)點數(shù)據(jù)，其中X為電源模塊的型號規(guī)格。

3.2 引腳分布特征分析

3.2.1 引腳類型k

電源模塊引腳類型具有可枚舉性，不同生產(chǎn)廠家對于同一類型引腳的命名可能不同，通過數(shù)字編碼使同類型引腳具有相同的唯一數(shù)字編碼，典型電源模塊引腳類型及其對應(yīng)數(shù)字編碼如表1所示。

表1 電源模塊引腳類型

輸入引腳（編碼1和編碼2對應(yīng)引腳）通常需要與直流電源、數(shù)字電壓表相連，輸出引腳（編碼4和編碼5）通常需要與電子負(fù)載、數(shù)字電壓表相連，禁止端（編碼3）為電源模塊使能開關(guān)，通常通過接地來控制電源模塊的開通與關(guān)斷。感應(yīng)端（編碼6和編碼7）通常需要與相應(yīng)輸出引腳互連。編碼1～7對應(yīng)類型引腳在性能檢測時需要接線測試，因此針對引腳類型1～7開展通用插座適配器研究。

3.2.2 引腳直徑d

電源模塊引腳直徑的典型值為1mm，部分大功率電源模塊的引腳直徑可能為2mm。由于電源模塊插裝時需要考慮與適配性的尺寸匹配，因此需要考慮引腳直徑參數(shù)對通用插座適配器設(shè)計的影響，通過將實際直徑做無量綱化處理后賦值給引腳節(jié)點的特征參數(shù)d，即：

3.2.3 引腳坐標(biāo)（x，y）

引腳坐標(biāo)是電源模塊引腳的相對位置坐標(biāo)，規(guī)定node（1）引腳為坐標(biāo)0點，（x（n），y（n））為引腳節(jié)點n相對于節(jié)點1的坐標(biāo)值。

為了使電源模塊在插裝時可以統(tǒng)一將最上端引腳安裝于鎖緊座的第一個孔位，防止人為誤插裝，當(dāng)電源模塊存在右側(cè)引腳位置高于左側(cè)引腳時，需進(jìn)行坐標(biāo)0點修正，具體如圖4所示，建立一個虛擬坐標(biāo)零點node（0），同時規(guī)定其引腳類型、直徑與node（1）一致。當(dāng)電源模塊引腳分布數(shù)據(jù)中存在虛擬節(jié)點node（0）時，規(guī)定（x（n），y（n））為節(jié)點n相對于節(jié)點0的位置坐標(biāo)，具體表示為

圖4 修正坐標(biāo)零點示意圖

3.3 引腳分布數(shù)據(jù)庫建立

元器件測試站通常需要對各種不同規(guī)格型號的電源模塊開展測試，電源模塊的引腳分布數(shù)據(jù)可以在產(chǎn)品手冊中獲取。根據(jù)3.1和3.2章節(jié)的步驟，可以將測試站所有電源模塊抽象量化為節(jié)點數(shù)據(jù)，形成的引腳分布數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 電源模塊引腳分布數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫中若存在node（0），則表示電源模塊存在虛擬引腳坐標(biāo)零點。

4 插座適配器區(qū)域分布數(shù)據(jù)

4.1 區(qū)域分布模型

根據(jù)電源模塊通用插座適配器結(jié)構(gòu)，電源模塊通常被安裝于雙列單鎖緊座結(jié)構(gòu)上，如圖5（a）所示。當(dāng)兩款電源模塊引腳分布相似時，可以安裝于同一雙列單鎖緊座結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)插座適配器的復(fù)用，如圖5（b）所示。雙列單鎖緊座結(jié)構(gòu)提高了適配器的通用性，當(dāng)不同電源模塊適用同一插座適配器時，可以定義適配器的連接區(qū)域類型，例如圖5（b）中左側(cè)鎖緊座的7～8位置為INH區(qū)域，右側(cè)鎖緊座的2～3為VOUT+區(qū)域。

圖5 雙列單鎖緊座電源模塊安裝圖

4.2 區(qū)域分布特征分析

4.2.1 區(qū)域類型k1

可以將通用插座適配器的區(qū)域劃分為三類。

1）功能區(qū)域，規(guī)定類型為編碼1～7的引腳在插座適配器上對應(yīng)的區(qū)域為功能區(qū)域；

2）非功能有連線區(qū)域，規(guī)定類型不是編碼1～7，且PCB布線時有連接的鎖緊座區(qū)域位置為非功能有連線區(qū)域；

3）非功能無連線區(qū)域，規(guī)定類型不是編碼1～7，且PCB布線時未連接的鎖緊座區(qū)域位置為非功能無連線區(qū)域。

功能區(qū)域按照插裝電源模塊引腳類型進(jìn)行劃分，采用表1中的數(shù)字編碼作為區(qū)域類型k1的取值，為了方便數(shù)字化處理，定義c）類適配器區(qū)域類型k1的取值為0。

4.2.2 區(qū)域坐標(biāo)（x1-x2，y1）

為了實現(xiàn)電源模塊與插座適配器的適配性分析，定義區(qū)域坐標(biāo)零點為左側(cè)鎖緊座的1腳位置（與電源模塊坐標(biāo)零點一致），x1～x2代表適配器類型區(qū)域的坐標(biāo)范圍，例如圖5（b）中INH的坐標(biāo)范圍為2.54mm*6～2.54mm*7，y1為鎖緊座位置標(biāo)記，規(guī)定y1=0代表左側(cè)鎖緊座，y1=1時代表右側(cè)鎖緊座。

4.2.3 PCB布線標(biāo)識s1

s1表征該鎖緊座區(qū)域是否通過PCB布線產(chǎn)生互連，當(dāng)s1=0時表示PCB布線并未連接該區(qū)域。通過定義s1可以進(jìn)一步提高插座適配器的通用性，電源模塊某些非功能引腳（例如NC，CASE等）落在無PCB連線的區(qū)域時，不影響插座適配器適用于該款電源模塊的測試。

4.3 區(qū)域分布數(shù)據(jù)庫建立

定義插座適配器區(qū)域分布量化函數(shù)為g（p）：

其中，region（i）的定義為

區(qū)域分布數(shù)據(jù)庫將不同插座適配器的雙列單鎖緊座結(jié)構(gòu)數(shù)字量化為多個區(qū)域節(jié)點，如表3所示。

表3 插座適配器區(qū)域分布數(shù)據(jù)庫

5 電源模塊檢測管理方法

5.1 引腳分布相似度分析方法

引腳分布相似的不同電源模塊可以共用同一款插座適配器，基于電源模塊引腳分布數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)引腳分布相似性的量化分析，以電源模塊X和Y的引腳類型VOUT+為例進(jìn)行說明，實際相似度分析時需要對編碼1～7所有類型引腳逐項開展以下分析流程：

1）第一步：在引腳分布數(shù)據(jù)庫中查詢X和Y的引腳分布數(shù)據(jù)f（X）和f（Y）；

2）第二步：查詢f（X）和f（Y）中引腳類型VOUT+的編碼分別為n1和n2，調(diào)用節(jié)點n1和n2的引腳坐標(biāo)f（X）.node（n1）.y和f（Y）.node（n2）.y，判定n1和n2是否分布在同一側(cè)的鎖緊座上，若為同一側(cè)則記住左/右側(cè)信息c，否則得到兩種電源模塊引腳分布不相似的結(jié)論；

3）第三步：在f（X）和f（Y）中調(diào)用節(jié)點n1和n2的引腳坐標(biāo)f（X）.node（n1）.x和f（Y）.node（n2）.x，判斷電源模塊X和Y在c側(cè)是否存在位于（f（X）.node（n1）.x，f（Y）.node（n2）.x）區(qū)間范圍內(nèi)的引腳，若無則表示電源模塊X和Y的引腳類型VOUT+分布相似，若有則得到兩種電源模塊引腳分布不相似的結(jié)論。

5.2 插座適配器適配性分析方法

在測試站引入新品電源模塊時，利用插座適配器的適配性分析方法可以在插座適配器數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)字化比對，查詢是否存在可用適配器。適配性分析方法首先對新品電源模塊進(jìn)行引腳分布數(shù)據(jù)提取，以電源模塊Z和插座適配器A的VOUT+類型為例進(jìn)行說明，實際適配性分析時需要對編碼1～7所有類型引腳逐項開展以下分析流程：

1）第一步：建立電源模塊Z的引腳分布數(shù)據(jù)f（Z），獲取其引腳類型VOUT+的編碼為n；

2）第二步：在插座適配器區(qū)域分布數(shù)據(jù)庫中查詢適配器A的區(qū)域分布數(shù)據(jù)g（A）；

3）第三步：查詢g（A）中VOUT+區(qū)域分布類型的節(jié)點編碼為m，通過f（Z）.node（n）.y和g（A）.region（m）.y1判斷電源模塊Z的引腳節(jié)點n與插座適配器A類型m區(qū)域是否處于同一側(cè)，若處于不同側(cè)，則得到不適配的結(jié)論，退出比對流程；若處于同一側(cè)，且f（Z）.node（n）.x落在區(qū)間范圍（g（A）.region（m）.x1，g（A）.region（m）.x2）內(nèi)，則電源模塊Z與適配器A的VOUT+類型適配。

5.3 電源模塊檢測管理流程

通過建立電源模塊引腳分布相似度分析方法以及電源模塊與插座適配器的適配性分析方法，形成電源模塊檢測管理流程，如圖6所示。

圖6 電源模塊檢測管理流程

當(dāng)測試站引入新品電源模塊時，可以從現(xiàn)有插座適配器中快速檢索是否存在可用適配器，若測試站中暫無可用適配器，則進(jìn)一步從現(xiàn)有電源模塊中檢索是否存在引腳分布相似的電源模塊用于開展通用插座適配器的設(shè)計。

6 結(jié)語

通過將電源模塊典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象、編碼和量化，實現(xiàn)了不同電源模塊之間引腳分布相似性的分析，為通用插座適配器的設(shè)計提供輸入。同時，對電源模塊插座適配器的結(jié)構(gòu)做了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，提高了其通用性，降低了其設(shè)計制造及維護(hù)管理成本。通過提出插座適配器區(qū)域分布的概念，將插座適配器的插裝區(qū)域進(jìn)行了數(shù)字化處理，建立了電源模塊與插座適配器間適配性的量化分析方法，最終實現(xiàn)了基于通用插座適配器設(shè)計、應(yīng)用和管理的電源模塊數(shù)字化檢測流程。