基于l9000系统的DC-DC电源模块测试技术

姚 鼎

（中船重工第七一六研究所，江苏连云港，222000）

基于l9000系统的DC-DC电源模块测试技术

姚 鼎

（中船重工第七一六研究所，江苏连云港，222000）

测试是筛选试验中检验元器件性能的核心手段，是检验在经过各种试验项目后元器件电气性能是否完好的唯一方法。本文通过对DC-DC电源模块的原理性能，主要测试指标、测试模型进行分析研究，基于I9000电源模块测试系统，利用通用硬件资源，开发通用型测试环境、测试夹具，实现全面、可靠、符合要求的测试手段和方法，解决目前电源模块参数测试不全面、测试效率低以及大批量、多种类、多封装形式DC-DC电源模块测试需求的问题。

DC-DC电源模块；测试技术；测试夹具

0 引言

DC-DC电源模块作为开关电源的一大分支，在市场份额上占据主导地位并且广泛应用在计算机、通信、航天、国防等各个重要领域中。其测试主要向高精度、高功率、全参数、全功能等方面发展，在多种功能、多种封装等测试要求下，传统的人工介入测试方式、低效能的多管脚逐个测试连接方式已经无法满足工业化生产的需要，本文以检测中心现有I9000电源模块测试系统为基础，开展DC-DC电源模块测试技术分析研究，利用通用的硬件资源，开发通用型测试环境，设计通用型测试夹具，解决目前电源模块参数测试不全面问题以及多种类、多封装的DC-DC电源模块测试需求的问题，提高测试质量及测试效率。

1 DC-DC电源模块测试技术研究

DC-DC电源模块是采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压，为将输出电压稳定在一定的精度，其基本组成如图1所示，其中DC-DC变换器用以进行功率变换，是电源模块的核心部分；R1、R2为输出采样电路，用以检测输出电压变化；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，电源模块还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、噪声滤波、输出采样、功能指示等电路。

图1 DC-DC电源模块的基本组成

电源模块原理性能的差异会造成在测试中对测试环境要求不同的情况，比如：有的DC-DC电源模块不能空载测试；有的DC-DC电源模块输入不能从0V开始加电；有的DC-DC电源模块必须配置必要的外围电路，否则无法工作等等。

1.1 DC-DC电源模块基本电路拓扑结构

DC-DC电源模块的拓扑结构是电源模块的核心电路，也是常说的主电路，可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件变压器来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流回路）。非隔离型电路比隔离型电路结构简单、成本低，但多数应用需要电源模块的输出端与输入端隔离，或需要多组相互隔离的输出，所以，隔离型电路的应用较广泛。而非隔离型电路也有不少应用，如开关型稳压器、直流斩波器等。本文以非隔离型拓扑结构的降压型（Buck）电路和隔离型拓扑结构的正激式（Forward）电路为例开展DC-DC电源模块工作原理分析研究，具有很强的代表性和针对性。

1.1.1 降压型（Buck）电路基本原理

降压型（Buck）电路是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器，实现的是降压变换，主电路由开关管Q、二极管D，输出滤波电感L和输出滤波电容C构成，存在电感电流连续模式（Continuous Conduction Mode—CCM，输出滤波电感L的电流总是大于零）和电感电流断续模式（Discontinuous Conduction Mode—DCM，开关管关断期间有一段时间L的电流为零）两种基本工作模式，电路图和主要波形图如图2所示。

图2 Buck型电路的电路图及其主要波形

1.1.2 正激式（Forward）电路基本原理

正激式拓扑电路实际上是在Buck降压电路中加入隔离变压器构成，开关管Q按照PWM方式工作，二极管D1是输出整流二极管，D2是续流二极管，电感L1是输出滤波电路，电容C是输出滤波电容。隔离变压器有三个绕组：初级绕组W1，次级绕组W2和复位绕组W3，图中绕组标有“· ”符号的一端表示是绕组的始端，二极管D3是复位绕组W3的串联二极管。和Buck降压变换器一样，也有电感电流连续和电感电流断续两种工作模式，开关管Q有导通、关断、关断（磁复位完成）三种开关模态，电感电流连续时的工作原理和基本关系的电路图及主要波形图如图3所示。

图3 正激式电路的电路图及其主要波形

1.2 DC-DC电源模块主要测试参数分析

DC-DC电源模块是否满足电气性能要求，是通过电性能测试来验证的，国内的DC-DC电源模块测试标准主要是SJ 20646-97《混合集成电路DC-DC变换器测试方法》，标准中包含了DC-DC电源模块17个参数的测试方法，其中多数检测机构开展的参数测试主要有：输出电压、输出电流、电压调整率、负载调整率、交叉调整率、效率、输出纹波与噪声、启动延迟。图4是典型单路输出DC-DC电源模块测试电路原理图。

图4 DC-DC电源模块基本测试电路图

其中输出电压参数虽然可以在I9000测试系统上实现测试，但由于原测试程序是通过数字电压表直接测试并显示，没有考虑测量仪器的可选择性、夹具造成的测量误差和结果显示与产品手册的对应关系等问题，造成在测试中误差无法实现补偿，显示结果需要换算才能与产品手册相对应；电压调整率、电流调整率和交叉调整率三个参数都是在DC-DC电源模块不同工作状态下测量出的结果，由于不同类型的DC-DC电源模块对参数的定义有差别，甚至相同类型的DC-DC电源模块不同生产厂家对于参数的定义也有区别，因此一种测量运算方法难以满足通用性的要求，在应用编程时需要花费大量的时间进行调试，且对调试人员的技术能力要求较高；通常这几个参数对测量误差要求较高，而现在的测量方式难以进行误差的控制，在测量当中经常出现由于测量误差造成实测值大于真值的现象，给测量结果的判定带来困来,影响测试质量；输入电流的测试虽然在系统中可以实现测试，但测试的方式是采用输入源的测量功能单元实现，这种测量方式的精度有限，在测量大电流时误差可以接受，但在测量空载或低载时的静态电流时，由于测量值本身很小，为mA级，而输入源的测量单元在测量小电流时的误差就在几个mA左右，因此测量结果无法接受，必须采用精度更高的测量单元来实现此类测量；效率的测量与输出电压的测量问题类似，测量误差造成难以正确判断。而对于一些特殊的DC-DC电源模块，在测试过程中源或负载的变化方式如不注意，会造成DC-DC电源模块工作异常，使测试失败，形成误判。

1.3 基于I9000测试系统多参数综合测试的实现

I9000测试系统硬件系统由控制单元、测量单元、激励单元和测试夹具四大部分组成。控制单元主要由工控机及接口电路组成，它通过软件程序对整个系统进行控制，以完成各项测试任务；测量单元包括数字电压表、示波器、数字功率计等仪表，完成测试任务中的状态测量工作；激励单元有函数信号发生器、直流电源、电子负载等仪器，完成测试任务中被测器件工作状态的建立；测试夹具是连接测试系统与电源模块的装置，完成将系统资源按照测试要求与被测器件管教连接的功能。

测试过程采用工控机通过IEEE-488总线连接控制电压源、电子负载和各种测量单元，将测试项目作为参数测试的基础，每个测试项目可以包含多个测试参数的测试，多个测试项目的组合完成DC-DC电源模块的整个测试过程。为了使测试系统更加通用，满足工程应用的需求，在测试项目中采用测试向量和临时变量的设计方式，将规格参数和时间参数等变量值可变，使测试项目满足各种规格及精度的DC-DC电源模块的测试。同时，为了使测试项目之间能够建立联系，提高工程应用时的测试文件生成速度和调试效率，将常用变量设计成全局变量，在每个被调用的测试项目变量设置中都可以直接利用，而不需要在每个测试项目变量设置中重复设置。针对特定DC-DC电源模块测试时，只需要简单变换测试向量和变量，即可快速调试并生产符合要求的测试文件。

DC-DC电源模块的完整测试是在特定的硬件资源配置下，将被测DC-DC电源模块通过测试夹具接入系统，并将变量和向量在软件中赋值后将多个测试项目按照用户调用顺序逐个执行，完成工控机对硬件资源的控制，并将测量结果进行适当的运算，最后得到所有参数的测试结果，每种DC-DC电源模块都有一个特定的测试文件，测试文件包括了硬件资源配置、多个测试项目组合、变量和向量赋值。下图是实际测试过程中，测试文件的执行过程，其中各个环节中的参数及变量在生成测试文件时设置。

1.4 测试夹具开发

测试夹具是连接测试系统与电源模块的装置，是实现测试的必要装置，在测试系统中起着不可替代的作用，直接影响测试的准确性、全面性、安全性。由于DC-DC电源模块的设计和加工方式不同，包含多种封装形式，且电源模块是功率器件，因此在测试夹具设计上需要有符合测试要求的解决方案，既能满足多参数测试要求，又能满足通用性和批量性测试需求，同时兼顾精度和安全上的要求，保证测试过程及结果的准确、有效。

图5 DC-DC电源模块参数测试实现

图6 测试文件执行流程

I9000测试系统搭配的通用测试夹具通过转换插针、测试夹及外部电路等连接方式来实现多参数测试的目的，每一次测试都需将测试夹连接样品引脚，测试效率低，且电源模块是功率器件，高电压、大电流模块也给测试过程带来一定的危险性，原有的人工介入，低效能、高风险的多管脚逐个测试连接的夹具测试方式已经无法满足批量测试的需要。

图7 子母夹具设计图

针对这一情况，通过子母夹具的设计方式，提升电源模块测试效率和测试安全性。其中，母夹具提供统一的、通用的输入、输出接口，直接与测试系统相连，将各种硬件资源引入其中，母夹具的设计以接口设计和结构设计为主，并充分考虑子夹具的大小及资源的接入要求；子夹具根据不同器件类型、管脚定义、外观尺寸、测试指标进行设计，并用机械安装模式代替手动连线，子母夹具的设计要求外围电路少、布线合理、不需额外增加滤波处理、可靠性高（耐插拔10000次以上）、寿命长，可有效解决工程化应用的批量通用测试问题,同时又保证测试的全面性和准确性。

2 结束语

本文基于I9000测试系统针对常用的DC-DC电源模块电性能测试参数进行系统设计，使测试系统具有通用性和批量测试能力，可以满足多种测试的要求，并利用系统提供的资源建立多种测试解决方案，为器件级测试程序编程提供灵活、方便的参数设置方式，并提供多种测试程序调试手段，提高测试效率及批量测试能力。

[1] 赵钰.DC-DC模块电压发展状况及趋势[J].混合微电子技术.2009.19（1：25-33）.

[2] 沈显庆,张绣,郑爽等.开关电源原理与设计[M].东南大学出版社,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，工程师，江苏连云港人，从事元器件检测技术研究。