國(guó)產(chǎn)DC/DC 模塊板級(jí)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳海平，蔡剛，黃菊蓮，王彩云，權(quán)亞娟

（西安西谷微電子有限責(zé)任公司，陜西西安，710124）

0 引言

隨著軍用融合口號(hào)的提出，以及芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，國(guó)家與用戶對(duì)軍民產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，相關(guān)配套的電源模塊的功能性能、質(zhì)量可靠性和環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。電源模塊的研制也由“滿足產(chǎn)品規(guī)范及合同要求”向“確保產(chǎn)品耐應(yīng)力裕度、提高應(yīng)用適應(yīng)性、保證工程可靠應(yīng)用”轉(zhuǎn)變。因此，急需提高其技術(shù)成熟度和應(yīng)用適用度，并經(jīng)充分驗(yàn)證獲取評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，得出明確評(píng)價(jià)結(jié)論并促進(jìn)電源模塊的成熟應(yīng)用。

目前我國(guó)電源模塊自研已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，技術(shù)水平飛速提高，產(chǎn)品系列更加完善。但已經(jīng)完成研制的電源模塊在型號(hào)中的推廣應(yīng)用過(guò)程中仍存在“不敢用”“不好用”“用不好”等問(wèn)題，且標(biāo)準(zhǔn)化的電源模塊測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用情況存在一定的差距，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和應(yīng)力條件也不能覆蓋電源模塊的應(yīng)用狀態(tài)，通過(guò)自測(cè)試或者第三方二篩后的模塊在應(yīng)用過(guò)程中仍然出現(xiàn)了不少問(wèn)題，影響了用戶將其應(yīng)用于工程中的信心，另外一方面，國(guó)產(chǎn)廠家提供的電源模塊信息數(shù)據(jù)尚不能充分表征其功能性能、質(zhì)量可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，難以充分指導(dǎo)用戶使用，這就使得用戶偏向于已有成功應(yīng)用案例、數(shù)據(jù)充分的國(guó)外成熟電源模塊，新研制的國(guó)產(chǎn)電源模塊的推廣難度變得更大。本文在國(guó)產(chǎn)器件中選用了一款DC/DC 電源模塊進(jìn)行板級(jí)設(shè)計(jì)，充分考慮其功能性能、質(zhì)量可靠性以環(huán)境適應(yīng)性，完善其測(cè)試方法，針對(duì)該模塊的實(shí)際應(yīng)用情況，有針對(duì)地進(jìn)行相關(guān)測(cè)試工作，確保將模塊應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。且對(duì)廠家研制及客戶使用DC/DC 電源模塊有著很大的借鑒意義。

1 總體方案

DC/DC 板級(jí)測(cè)試設(shè)計(jì)總體方案包括：DC/DC 模塊、供電電路、散熱處理、供電指示電路、去耦電路、測(cè)試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、SMA 示波器檢測(cè)口、電源輸出、電子負(fù)載以及用于環(huán)境適應(yīng)測(cè)試的力學(xué)定位孔。圍繞DC/DC 電源模塊設(shè)計(jì)一款用于驗(yàn)證其功能性能的板級(jí)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)完成其功能性能及環(huán)境試驗(yàn)得出其測(cè)試報(bào)告，完成生產(chǎn)廠家的測(cè)試驗(yàn)證要求時(shí)，在進(jìn)行市場(chǎng)推廣應(yīng)用時(shí)，對(duì)客戶有著很好的推薦設(shè)計(jì)作用。

方案框圖如圖1 所示。

■1.1 DC/DC 模塊

板級(jí)設(shè)計(jì)選用了國(guó)產(chǎn)某公司的MV24C12M150B DC/DC電源模塊。模塊采用PCB 板及表面組裝工藝，封裝采用鋁基座、金屬塑料復(fù)合外殼配合灌封制作。

引出端排列及引腳功能如圖2、表1 所示。

圖2 引出端排列

推薦工作條件：

輸入電壓VIN：18V～40V；

輸出電壓VOUT：11.88V～12.12V；

工作溫度范圍Tc(M 級(jí))：-55℃～100℃；

貯存溫度范圍Tstg(M 級(jí))：-65℃～125℃。

■1.2 供電電路

供電電路中考慮該測(cè)試板需要在力學(xué)環(huán)境下工作，所以采用耐大電流、防反插、防塵、易緊固的航空接插件作為供電口，其接觸電阻為0.55mΩ，額定電壓500V，額定電流30A，瞬時(shí)電流60A，匹配線徑12AWG，完全匹配電源模塊大功率需求，使用直流穩(wěn)壓源提供穩(wěn)定電源輸入。航空接插件如圖3 所示。

圖3 航空接插件

■1.3 散熱處理

由于電源模塊屬于功率模塊，其運(yùn)行功耗過(guò)大，容易發(fā)熱影響其性能參數(shù)測(cè)試，在進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行散熱處理，所以在設(shè)計(jì)時(shí)候盡可能做散熱焊盤，以及外接散熱器，并且在散熱片和電源模塊的接觸面涂有散熱硅脂，加快其散熱速度。使得電源模塊不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而燒毀。散熱片如圖4所示。

圖4 散熱片

■1.4 供電指示電路

如圖5 所示為供電指示電路。采用了串聯(lián)10k 電阻以及綠色LED 燈作為供電指示電路，方便通過(guò)燈效顯示其工作狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電源指示燈過(guò)于暗時(shí)，還可以通過(guò)更換串聯(lián)電阻10k，變?yōu)楦〉碾娮瑁菇?jīng)過(guò)綠色LED 燈的電流增大，亮度變大。在做三溫工作穩(wěn)定性以及環(huán)境適應(yīng)性時(shí)，測(cè)試人員可以通過(guò)燈效判斷DC/DC 模塊是否發(fā)生故障，進(jìn)行緊急處理，在進(jìn)行功耗計(jì)算時(shí)，需要考慮到LED 的功耗。

圖5 供電指示電路

■1.5 去耦電路

在電源輸入輸出均設(shè)計(jì)有去耦電路，在電源輸入端其作用是把輸入信號(hào)中的高頻噪聲雜波進(jìn)行濾除，在電源輸出端其作用是把輸出信號(hào)中的干擾濾除掉，確保電源輸出電壓干凈平滑，使用輸入級(jí)的去耦電容應(yīng)選擇一個(gè)耐壓較高的電容100μF/450V，保證電源輸入能夠干凈平滑，排除待測(cè)試器件因?yàn)檩斎爰?jí)電源的原因?qū)е鹿δ苄阅艹鰡?wèn)題的因素，輸出端選擇電容4.7nF 以及0.01μF 濾除掉高頻噪聲的干擾，使其輸出電壓紋波達(dá)到模塊詳細(xì)規(guī)范范圍內(nèi)，如圖6 所示。

圖6 去耦電路

■1.6 測(cè)試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

為了便于觀測(cè)DC/DC 模塊的各管腳波形及參數(shù)，在進(jìn)行PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，在其管腳處均增加過(guò)孔測(cè)試點(diǎn)，隨時(shí)通過(guò)示波器測(cè)試其性能參數(shù)是否達(dá)標(biāo)，比如啟動(dòng)時(shí)間、輸入輸出紋波等參數(shù)。如圖7 所示。

圖7 測(cè)試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

■1.7 電源輸出

電源輸出位置亦采用航空接插件作為輸出口，通過(guò)連接高精度萬(wàn)用表測(cè)試其輸出電壓值是否符合詳細(xì)規(guī)范，并預(yù)留了SMA 輸出波形檢測(cè)口，使用50Ω 阻抗匹配的屏蔽線進(jìn)行示波器連接，監(jiān)控其輸出波形及相關(guān)時(shí)間參數(shù)。如圖8 所示。

圖8 電源輸出及SMA 檢測(cè)口

■1.8 電子負(fù)載

為了測(cè)試出DC/DC 電源模塊其最大帶載能力，本設(shè)計(jì)不采用傳統(tǒng)的功率電阻進(jìn)行拉載測(cè)試，其精度無(wú)法滿足測(cè)試要求，且需要頻繁更換功率電阻。而是使用航空接插件連接電子負(fù)載，測(cè)試出其帶載能力是否符合詳細(xì)規(guī)范，電子負(fù)載選擇ITECH 公司可編程直流電子負(fù)載測(cè)試檢測(cè)儀IT8500，其具備多種模式，如定電壓、定電流、定電阻、定功率等，高達(dá)10kHz 動(dòng)態(tài)模式，自動(dòng)測(cè)試功能，還可支持RS232/USB串口通信接口以及斷電保持記憶功能。電子負(fù)載如圖9 所示。

圖9 電子負(fù)載

■1.9 原理圖及PCB 設(shè)計(jì)

原理圖如圖10 所示。

圖10 原理圖

PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）選取的器件封裝盡可能達(dá)到待測(cè)試DC/DC 模塊的溫度級(jí)別，這樣盡可能保證在進(jìn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)室比如溫度循環(huán)試驗(yàn)，能夠排除外圍器件溫度指標(biāo)不夠?qū)е码娫茨K測(cè)試板功能失效。

（2）為了更好地觀察待測(cè)試DC/DC 模塊器件的各管腳輸入輸出波形，在布線時(shí)，在其控制端、信號(hào)輸入輸出端引出測(cè)試點(diǎn)，內(nèi)徑為1mm。

（3）為了保證供電電源平滑干凈，在模塊信號(hào)輸入輸出端以及芯片的電源腳增加了去耦電容，去除點(diǎn)高頻尖峰脈沖對(duì)模塊信號(hào)的干擾。

（4）為了保證電源模塊更好地散熱。PCB 設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到增加覆銅散熱GND 焊盤以及外接散熱片。

（5）為了保證信號(hào)之間不會(huì)發(fā)生相互串?dāng)_，充分考慮到電源輸入與電源輸出的地隔離設(shè)計(jì)。

（6）板子四個(gè)邊緣的定位孔是為了匹配振動(dòng)臺(tái)的安裝與固定，在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)這些定位孔對(duì)驗(yàn)證板進(jìn)行固定。

PCB 如圖11 所示。

圖11 PCB

2 實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)

■2.1 實(shí)物及設(shè)備清單

如圖12 為設(shè)計(jì)實(shí)物圖，搭建試驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2 所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備清單

圖12 實(shí)物圖

■2.2 實(shí)驗(yàn)流程

（1）將驗(yàn)證板卡置于特定環(huán)境中；

（2）連接直流源、示波器以及電子負(fù)載；

（3）直流電源VCC 設(shè)置為典型電壓值24V，并上電；

（4）輸出端連接高精度萬(wàn)用表；

（5）連接SMA 屏蔽線與示波器探頭，示波器監(jiān)控輸出及相關(guān)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目。

■2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)?zāi)夸浖霸囼?yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3 總結(jié)

經(jīng)自評(píng)以及組織公司技術(shù)負(fù)責(zé)人、用戶單位代表、研制單位代表等多方專家和代表對(duì)該DC/DC 電源模塊測(cè)試板的設(shè)計(jì)方案、試驗(yàn)類型、試驗(yàn)流程、試驗(yàn)結(jié)果及最終測(cè)試報(bào)告進(jìn)行了評(píng)審，所設(shè)計(jì)的DC/DC 電源模塊板級(jí)能夠匹配用戶級(jí)研制需求，功能性能方面能夠完全兼容國(guó)外VICOR 公司的 V24 系列DC/DC 電源模塊，并對(duì)同型號(hào)同系列的DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)有著很大的借鑒意義。