機(jī)載計(jì)算機(jī)電源測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 李子河 高 棟 趙振宇 劉國(guó)美

隨著機(jī)載計(jì)算機(jī)的電氣集成度不斷提高，機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的高安全性、高可靠性設(shè)計(jì)也越來越重要。通過設(shè)計(jì)測(cè)試電路用以支持機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的測(cè)試性需求，可通過BIT達(dá)到定位、隔離故障的目的。實(shí)現(xiàn)機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的高安全性、高可靠性的設(shè)計(jì)要求。本文提出了設(shè)計(jì)前、中、后三級(jí)的測(cè)試電路用以支持電源的測(cè)試性需求，前級(jí)測(cè)試輸入開關(guān)的開通及關(guān)斷功能，中級(jí)測(cè)試輔助電源的過壓保護(hù)功能，后級(jí)針對(duì)Boost電路的過壓檢測(cè)電路進(jìn)行測(cè)試。通過三級(jí)測(cè)試電路的檢測(cè)，可在電源模塊在上電BIT時(shí)檢測(cè)故障，隔離故障，極大提升機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的可靠性和安全性。

測(cè)試性是指產(chǎn)品通過機(jī)載設(shè)備機(jī)內(nèi)測(cè)試BIT（Built-in Test），可以及時(shí)準(zhǔn)確地定位內(nèi)部故障，其中包含可工作、不可工作、性能下降三種故障狀態(tài)。良好的測(cè)試性可以通過產(chǎn)品BIT達(dá)到定位、隔離故障的操作，可以極大提升產(chǎn)品的安全性。產(chǎn)品測(cè)試性工作需要貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，通過不斷設(shè)計(jì)迭代，不斷完善產(chǎn)品的測(cè)試性和安全性能指標(biāo)。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)載設(shè)備的電氣集成度不斷提高，在功能性能提升的同時(shí)，對(duì)電源可靠性、測(cè)試性的要求也越來越高。為了實(shí)現(xiàn)快速定位故障、隔離故障部件，完善電源的測(cè)試性電路至關(guān)重要。結(jié)合某項(xiàng)目機(jī)載設(shè)備，提出一種電源架構(gòu)及其測(cè)試電路方案。

1 背景及架構(gòu)

某機(jī)載設(shè)備電源直流模塊的架構(gòu)如圖1所示，該電源模塊的功率轉(zhuǎn)換部分由以下7個(gè)功能塊組成，分別為：前級(jí)EMI濾波器、輸入開關(guān)（SSPC）、主EMI濾波器、Boost功率轉(zhuǎn)換器、功率輸出開關(guān)（OPSW）、Boost控制電路、電源選擇及輔助電源。其主要功能如下所述：

（1）前級(jí)EMI濾波器：前級(jí)EMI濾波將機(jī)上28V匯流條上的電壓進(jìn)行濾波。該部分的主要功能為減小輸入電源的紋波及干擾，提升輸入電能的質(zhì)量，并兼顧電磁兼容的設(shè)計(jì)需求。

（2）輸入開關(guān)（SSPC）：固態(tài)功率控制器實(shí)現(xiàn)電源模塊的輸入端的開關(guān)功能，同時(shí)可提供正向過流保護(hù)功能及反向防反灌關(guān)斷功能。

（3）主EMI濾波器：主濾波電路主要功能為提升Boost前級(jí)的輸入電能質(zhì)量，減小紋波及干擾。

（4）Boost功率變換器：Boost功率變換部分實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的升壓變換及穩(wěn)壓，同時(shí)還包含過壓保護(hù)功能，峰值電流控制功能，該部分還需支持過壓故障注入功能，用以檢測(cè)過壓保護(hù)電路是否正常工作。

（5）功率輸出開關(guān)：輸出開關(guān)的作用為防止電流反灌。

為了提升產(chǎn)品的測(cè)試性及安全性，主功率部分的關(guān)鍵電路都需要設(shè)計(jì)測(cè)試電路，用以支持BIT故障檢測(cè)、定位功能。針對(duì)該電源模塊提出前、中、后三級(jí)的測(cè)試電路設(shè)計(jì)理念。

輸入開關(guān)電路決定電源模塊的開通及關(guān)斷，在需要切入時(shí)，輸入開關(guān)開通；當(dāng)電源模塊出現(xiàn)故障時(shí)，需要切斷輸入開關(guān)隔離故障，同時(shí)對(duì)電源模塊進(jìn)行過流保護(hù)及電流的防反灌保護(hù)。輸入開關(guān)的功能至關(guān)重要，因此需要設(shè)計(jì)前級(jí)測(cè)試電路對(duì)輸入開關(guān)的功能進(jìn)行測(cè)試；

輔助電源對(duì)電源模塊的內(nèi)部功能電路進(jìn)行供電，輔助電源的故障會(huì)導(dǎo)致電源模塊喪失功能，甚至輔助電源的過壓故障會(huì)損壞電源模塊內(nèi)部芯片，因此需要設(shè)計(jì)中級(jí)測(cè)試電路，測(cè)試輔助電源是否能正常工作。

Boost功率變換電路作為該電源模塊的核心DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，其測(cè)試電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要設(shè)計(jì)后級(jí)測(cè)試電路，針對(duì)其過壓保護(hù)電路的功能進(jìn)行檢測(cè)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 主功率方案設(shè)計(jì)

該電源DC-DC變換采用Boost電路，Boost電路具備拓?fù)涑墒臁⒖刂七壿嫼?jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。其電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 電源模塊架構(gòu)

圖2 Boost電路拓?fù)?/p>

其傳遞函數(shù)為：

Boost拓?fù)渚邆渖龎骸⒅蓖▋煞N工作模式。基于該特性，Boost在任何故障情況下都不會(huì)斷電。但Boost拓?fù)渚邆渲荒苓M(jìn)行升壓的固有特性，導(dǎo)致一旦電壓環(huán)出現(xiàn)故障，理論上輸出電壓會(huì)無限制增大，影響后級(jí)設(shè)備的工作。因此，Boost電路的過壓保護(hù)電路極其重要，目前過壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)十分成熟，但是絕大部分電源沒有針對(duì)過壓保護(hù)電路的BIT測(cè)試功能，對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試性、可靠性造成影響。因此，為了提升該產(chǎn)品電源模塊的測(cè)試性，需要設(shè)計(jì)過壓保護(hù)電路的測(cè)試電路。

2.2 測(cè)試電路設(shè)計(jì)

該電源的測(cè)試電路采用前、中、后三級(jí)的測(cè)試電路用以支持電源的測(cè)試性需求。前級(jí)測(cè)試電路作用于輸入開關(guān)，對(duì)切換功能進(jìn)行測(cè)試，在系統(tǒng)進(jìn)行BIT測(cè)試時(shí)，可通過邏輯電路進(jìn)行對(duì)測(cè)試信號(hào)的處理，強(qiáng)制將POWER_ENABLE信號(hào)拉高或者拉低，再通過電源的狀態(tài)上報(bào)信息用以測(cè)試前級(jí)輸入開關(guān)是否可以正常工作，其原理如圖3所示。

該電路可準(zhǔn)確地對(duì)輸入開關(guān)的功能性能進(jìn)行測(cè)試，可以在上電BIT時(shí)對(duì)其開關(guān)性能進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)TEST_OFF為高電平時(shí)，可以將POWER_ENABLE強(qiáng)制拉低，用以測(cè)試輸入開關(guān)的關(guān)斷性能；當(dāng)TEST_ON為高電平時(shí)，可以將POWER_ENABLE強(qiáng)制拉高，用以測(cè)試輸入開關(guān)的開通性能，通過對(duì)電源的切換性能測(cè)試，極大提升產(chǎn)品的安全性。

中級(jí)測(cè)試電路作用于輔助電源，對(duì)輔助電源的過壓保護(hù)功能進(jìn)行測(cè)試。在進(jìn)行BIT測(cè)試時(shí)，發(fā)送測(cè)試信號(hào)TEST_BIAS，電源通過邏輯處理電路對(duì)輔助電源的過壓保護(hù)電路進(jìn)行激勵(lì)，然后通過采集輔助電源的過壓信號(hào)對(duì)過壓保護(hù)電路的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，并上報(bào)過壓保護(hù)電路是否可以正常工作，其原理如圖4所示。

圖4 過壓測(cè)試電路

過壓保護(hù)電路通過檢測(cè)輔助電源輸出電壓V_BIAS與基準(zhǔn)V_REF進(jìn)行比較，當(dāng)不進(jìn)行過壓電路檢測(cè)時(shí)，TEST_BIAS為低電平，若此時(shí)輔助電源不過壓，過壓檢測(cè)信號(hào)BIAS_OV輸出低電平，不觸發(fā)過壓保護(hù)；當(dāng)進(jìn)行過壓電路檢測(cè)時(shí)，TEST_BIAS激勵(lì)為高電平，V_REF通過R2和R3進(jìn)行分壓，強(qiáng)制將輔助電源的過壓檢測(cè)信號(hào)BIAS_OV置為高電平，觸發(fā)輔助電源的過壓保護(hù)功能。上位機(jī)通過對(duì)輔助電源狀態(tài)的檢測(cè)，判斷輔助電源過壓保護(hù)功能的狀態(tài)，判斷該電路是否異常。

后級(jí)測(cè)試電路作用于Boost模塊的過壓檢測(cè)電路，其原理與輔助電源的過壓測(cè)試電路相同。測(cè)試信號(hào)通過將基準(zhǔn)進(jìn)行分壓，用來模擬Boost電路的過壓故障。同時(shí)Boost向上位機(jī)提供主開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行判斷，檢測(cè)Boost的過壓保護(hù)電路是否正常工作。該電路對(duì)Boost電路的過壓保護(hù)電路功能進(jìn)行BIT檢測(cè)，可保證Boost電路在出現(xiàn)過壓故障時(shí)及時(shí)關(guān)斷，避免出現(xiàn)Boost過壓損壞后級(jí)用電設(shè)備。

通過對(duì)電源模塊的前、中、后三級(jí)進(jìn)行測(cè)試，在上電BIT時(shí)測(cè)試電源模塊的切換功能、輔助電源保護(hù)功能、Boost電路過壓保護(hù)功能。通過對(duì)電源模塊的功能性能測(cè)試和保護(hù)功能測(cè)試，可以迅速發(fā)現(xiàn)故障、定位故障，極大地提升了產(chǎn)品的測(cè)試性、安全性。

結(jié)語：本文提出了一種機(jī)載設(shè)備電源直流模塊的架構(gòu)，并針對(duì)該架構(gòu)設(shè)計(jì)了前、中、后三級(jí)測(cè)試電路提升該電源模塊的測(cè)試性。架構(gòu)包含：前級(jí)EMI濾波器、輸入開關(guān)（SSPC）、主EMI濾波器、Boost功率轉(zhuǎn)換器、功率輸出開關(guān)（OPSW）、Boost控制電路、電源選擇及輔助電源。并針對(duì)輸入開關(guān)（SSPC）、輔助電源、Boost控制電路設(shè)計(jì)功能測(cè)試電路，可以在進(jìn)行BIT時(shí)，測(cè)試電源模塊內(nèi)部關(guān)鍵功能，極大地提升了電源模塊的測(cè)試性，同時(shí)提升了電源模塊的可靠性和安全性。