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(cè)試技術(shù)

姚 鼎

（中船重工第七一六研究所，江蘇連云港，222000）

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

DC-DC電源模塊；測(cè)試技術(shù)；測(cè)試夾具

0 引言

DC-DC電源模塊作為開(kāi)關(guān)電源的一大分支，在市場(chǎng)份額上占據(jù)主導(dǎo)地位并且廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、通信、航天、國(guó)防等各個(gè)重要領(lǐng)域中。其測(cè)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(cè)試要求下，傳統(tǒng)的人工介入測(cè)試方式、低效能的多管腳逐個(gè)測(cè)試連接方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)的需要，本文以檢測(cè)中心現(xiàn)有I9000電源模塊測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開(kāi)展DC-DC電源模塊測(cè)試技術(shù)分析研究，利用通用的硬件資源，開(kāi)發(fā)通用型測(cè)試環(huán)境，設(shè)計(jì)通用型測(cè)試夾具，解決目前電源模塊參數(shù)測(cè)試不全面問(wèn)題以及多種類(lèi)、多封裝的DC-DC電源模塊測(cè)試需求的問(wèn)題，提高測(cè)試質(zhì)量及測(cè)試效率。

1 DC-DC電源模塊測(cè)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(kāi)關(guān)器件，通過(guò)周期性間斷工作，控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)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(cè)輸出電壓變化；驅(qū)動(dòng)器是開(kāi)關(guān)信號(hào)的放大部分，對(duì)來(lái)自信號(hào)源的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求；信號(hào)源產(chǎn)生控制信號(hào)，可以是PWM信號(hào)、PFM信號(hào)或其他信號(hào)；比較放大器對(duì)給定信號(hào)和輸出反饋信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開(kāi)關(guān)信號(hào)的幅值、頻率、波形等，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制開(kāi)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(dòng)、過(guò)流過(guò)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(huì)造成在測(cè)試中對(duì)測(cè)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(cè)試；有的DC-DC電源模塊輸入不能從0V開(kāi)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(wú)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(shuō)的主電路，可分為兩種基本類(lèi)型：非隔離型（在工作期間輸入源和輸出負(fù)載共用一個(gè)共同的電流通路）和隔離型（能量轉(zhuǎn)換是用一個(gè)相互耦合磁性元件變壓器來(lái)實(shí)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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(duì)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(shí)現(xiàn)的是降壓變換，主電路由開(kāi)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)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?shí)際上是在Buck降壓電路中加入隔離變壓器構(gòu)成，開(kāi)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(gè)繞組：初級(jí)繞組W1，次級(jí)繞組W2和復(fù)位繞組W3，圖中繞組標(biāo)有“· ”符號(hào)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(kāi)關(guān)管Q有導(dǎo)通、關(guān)斷、關(guān)斷（磁復(fù)位完成）三種開(kāi)關(guān)模態(tài)，電感電流連續(xù)時(shí)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(cè)試參數(shù)分析

DC-DC電源模塊是否滿(mǎn)足電氣性能要求，是通過(guò)電性能測(cè)試來(lái)驗(yàn)證的，國(guó)內(nèi)的DC-DC電源模塊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要是SJ 20646-97《混合集成電路DC-DC變換器測(cè)試方法》，標(biāo)準(zhǔn)中包含了DC-DC電源模塊17個(gè)參數(shù)的測(cè)試方法，其中多數(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展的參數(shù)測(cè)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(dòng)延遲。圖4是典型單路輸出DC-DC電源模塊測(cè)試電路原理圖。

圖4 DC-DC電源模塊基本測(cè)試電路圖

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

1.3 基于I9000測(cè)試系統(tǒng)多參數(shù)綜合測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

I9000測(cè)試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由控制單元、測(cè)量單元、激勵(lì)單元和測(cè)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(guò)軟件程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以完成各項(xiàng)測(cè)試任務(wù)；測(cè)量單元包括數(shù)字電壓表、示波器、數(shù)字功率計(jì)等儀表，完成測(cè)試任務(wù)中的狀態(tài)測(cè)量工作；激勵(lì)單元有函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、直流電源、電子負(fù)載等儀器，完成測(cè)試任務(wù)中被測(cè)器件工作狀態(tài)的建立；測(cè)試夾具是連接測(cè)試系統(tǒng)與電源模塊的裝置，完成將系統(tǒng)資源按照測(cè)試要求與被測(cè)器件管教連接的功能。

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

DC-DC電源模塊的完整測(cè)試是在特定的硬件資源配置下，將被測(cè)DC-DC電源模塊通過(guò)測(cè)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(gè)測(cè)試項(xiàng)目按照用戶(hù)調(diào)用順序逐個(gè)執(zhí)行，完成工控機(jī)對(duì)硬件資源的控制，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算，最后得到所有參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，每種DC-DC電源模塊都有一個(gè)特定的測(cè)試文件，測(cè)試文件包括了硬件資源配置、多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目組合、變量和向量賦值。下圖是實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試文件的執(zhí)行過(guò)程，其中各個(gè)環(huán)節(jié)中的參數(shù)及變量在生成測(cè)試文件時(shí)設(shè)置。

1.4 測(cè)試夾具開(kāi)發(fā)

測(cè)試夾具是連接測(cè)試系統(tǒng)與電源模塊的裝置，是實(shí)現(xiàn)測(cè)試的必要裝置，在測(cè)試系統(tǒng)中起著不可替代的作用，直接影響測(cè)試的準(zhǔn)確性、全面性、安全性。由于DC-DC電源模塊的設(shè)計(jì)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(cè)試夾具設(shè)計(jì)上需要有符合測(cè)試要求的解決方案，既能滿(mǎn)足多參數(shù)測(cè)試要求，又能滿(mǎn)足通用性和批量性測(cè)試需求，同時(shí)兼顧精度和安全上的要求，保證測(cè)試過(guò)程及結(jié)果的準(zhǔn)確、有效。

圖5 DC-DC電源模塊參數(shù)測(cè)試實(shí)現(xiàn)

圖6 測(cè)試文件執(zhí)行流程

I9000測(cè)試系統(tǒng)搭配的通用測(cè)試夾具通過(guò)轉(zhuǎn)換插針、測(cè)試夾及外部電路等連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)試的目的，每一次測(cè)試都需將測(cè)試夾連接樣品引腳，測(cè)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(cè)試過(guò)程帶來(lái)一定的危險(xiǎn)性，原有的人工介入，低效能、高風(fēng)險(xiǎn)的多管腳逐個(gè)測(cè)試連接的夾具測(cè)試方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足批量測(cè)試的需要。

圖7 子母夾具設(shè)計(jì)圖

針對(duì)這一情況，通過(guò)子母夾具的設(shè)計(jì)方式，提升電源模塊測(cè)試效率和測(cè)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(cè)試系統(tǒng)相連，將各種硬件資源引入其中，母夾具的設(shè)計(jì)以接口設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lèi)型、管腳定義、外觀尺寸、測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用機(jī)械安裝模式代替手動(dòng)連線，子母夾具的設(shè)計(jì)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(zhǎng)，可有效解決工程化應(yīng)用的批量通用測(cè)試問(wèn)題,同時(shí)又保證測(cè)試的全面性和準(zhǔn)確性。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文基于I9000測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)常用的DC-DC電源模塊電性能測(cè)試參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使測(cè)試系統(tǒng)具有通用性和批量測(cè)試能力，可以滿(mǎn)足多種測(cè)試的要求，并利用系統(tǒng)提供的資源建立多種測(cè)試解決方案，為器件級(jí)測(cè)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(cè)試程序調(diào)試手段，提高測(cè)試效率及批量測(cè)試能力。

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

[2] 沈顯慶,張繡,鄭爽等.開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[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(cè)技術(shù)研究。