中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所 李子河 高 棟 趙振宇 劉國美

隨著機載計算機的電氣集成度不斷提高，機載計算機電源的高安全性、高可靠性設計也越來越重要。通過設計測試電路用以支持機載計算機電源的測試性需求，可通過BIT達到定位、隔離故障的目的。實現(xiàn)機載計算機電源的高安全性、高可靠性的設計要求。本文提出了設計前、中、后三級的測試電路用以支持電源的測試性需求，前級測試輸入開關的開通及關斷功能，中級測試輔助電源的過壓保護功能，后級針對Boost電路的過壓檢測電路進行測試。通過三級測試電路的檢測，可在電源模塊在上電BIT時檢測故障，隔離故障，極大提升機載計算機電源的可靠性和安全性。

測試性是指產(chǎn)品通過機載設備機內(nèi)測試BIT（Built-in Test），可以及時準確地定位內(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)。良好的測試性可以通過產(chǎn)品BIT達到定位、隔離故障的操作，可以極大提升產(chǎn)品的安全性。產(chǎn)品測試性工作需要貫穿于產(chǎn)品設計的整個過程，通過不斷設計迭代，不斷完善產(chǎn)品的測試性和安全性能指標。

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

1 背景及架構(gòu)

某機載設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個功能塊組成，分別為：前級EMI濾波器、輸入開關（SSPC）、主EMI濾波器、Boost功率轉(zhuǎn)換器、功率輸出開關（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EMI濾波器：前級EMI濾波將機上28V匯流條上的電壓進行濾波。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計需求。

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

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

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

（5）功率輸出開關：輸出開關的作用為防止電流反灌。

為了提升產(chǎn)品的測試性及安全性，主功率部分的關鍵電路都需要設計測試電路，用以支持BIT故障檢測、定位功能。針對該電源模塊提出前、中、后三級的測試電路設計理念。

輸入開關電路決定電源模塊的開通及關斷，在需要切入時，輸入開關開通；當電源模塊出現(xiàn)故障時，需要切斷輸入開關隔離故障，同時對電源模塊進行過流保護及電流的防反灌保護。輸入開關的功能至關重要，因此需要設計前級測試電路對輸入開關的功能進行測試；

輔助電源對電源模塊的內(nèi)部功能電路進行供電，輔助電源的故障會導致電源模塊喪失功能，甚至輔助電源的過壓故障會損壞電源模塊內(nèi)部芯片，因此需要設計中級測試電路，測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，其測試電路設計至關重要，需要設計后級測試電路，針對其過壓保護電路的功能進行檢測。

2 設計方案

2.1 主功率方案設計

該電源DC-DC變換采用Boost電路，Boost電路具備拓撲成熟、控制邏輯簡單、可靠性高等特點。其電路拓撲如圖2所示。

圖1 電源模塊架構(gòu)

圖2 Boost電路拓撲

其傳遞函數(shù)為：

Boost拓撲具備升壓、直通兩種工作模式?；谠撎匦?，Boost在任何故障情況下都不會斷電。但Boost拓撲具備只能進行升壓的固有特性，導致一旦電壓環(huán)出現(xiàn)故障，理論上輸出電壓會無限制增大，影響后級設備的工作。因此，Boost電路的過壓保護電路極其重要，目前過壓保護電路的設計十分成熟，但是絕大部分電源沒有針對過壓保護電路的BIT測試功能，對產(chǎn)品的測試性、可靠性造成影響。因此，為了提升該產(chǎn)品電源模塊的測試性，需要設計過壓保護電路的測試電路。

2.2 測試電路設計

該電源的測試電路采用前、中、后三級的測試電路用以支持電源的測試性需求。前級測試電路作用于輸入開關，對切換功能進行測試，在系統(tǒng)進行BIT測試時，可通過邏輯電路進行對測試信號的處理，強制將POWER_ENABLE信號拉高或者拉低，再通過電源的狀態(tài)上報信息用以測試前級輸入開關是否可以正常工作，其原理如圖3所示。

該電路可準確地對輸入開關的功能性能進行測試，可以在上電BIT時對其開關性能進行檢測，當TEST_OFF為高電平時，可以將POWER_ENABLE強制拉低，用以測試輸入開關的關斷性能；當TEST_ON為高電平時，可以將POWER_ENABLE強制拉高，用以測試輸入開關的開通性能，通過對電源的切換性能測試，極大提升產(chǎn)品的安全性。

中級測試電路作用于輔助電源，對輔助電源的過壓保護功能進行測試。在進行BIT測試時，發(fā)送測試信號TEST_BIAS，電源通過邏輯處理電路對輔助電源的過壓保護電路進行激勵，然后通過采集輔助電源的過壓信號對過壓保護電路的工作狀態(tài)進行判斷，并上報過壓保護電路是否可以正常工作，其原理如圖4所示。

圖4 過壓測試電路

過壓保護電路通過檢測輔助電源輸出電壓V_BIAS與基準V_REF進行比較，當不進行過壓電路檢測時，TEST_BIAS為低電平，若此時輔助電源不過壓，過壓檢測信號BIAS_OV輸出低電平，不觸發(fā)過壓保護；當進行過壓電路檢測時，TEST_BIAS激勵為高電平，V_REF通過R2和R3進行分壓，強制將輔助電源的過壓檢測信號BIAS_OV置為高電平，觸發(fā)輔助電源的過壓保護功能。上位機通過對輔助電源狀態(tài)的檢測，判斷輔助電源過壓保護功能的狀態(tài)，判斷該電路是否異常。

后級測試電路作用于Boost模塊的過壓檢測電路，其原理與輔助電源的過壓測試電路相同。測試信號通過將基準進行分壓，用來模擬Boost電路的過壓故障。同時Boost向上位機提供主開關管的開關狀態(tài)，上位機對其進行判斷，檢測Boost的過壓保護電路是否正常工作。該電路對Boost電路的過壓保護電路功能進行BIT檢測，可保證Boost電路在出現(xiàn)過壓故障時及時關斷，避免出現(xiàn)Boost過壓損壞后級用電設備。

通過對電源模塊的前、中、后三級進行測試，在上電BIT時測試電源模塊的切換功能、輔助電源保護功能、Boost電路過壓保護功能。通過對電源模塊的功能性能測試和保護功能測試，可以迅速發(fā)現(xiàn)故障、定位故障，極大地提升了產(chǎn)品的測試性、安全性。

結(jié)語：本文提出了一種機載設備電源直流模塊的架構(gòu)，并針對該架構(gòu)設計了前、中、后三級測試電路提升該電源模塊的測試性。架構(gòu)包含：前級EMI濾波器、輸入開關（SSPC）、主EMI濾波器、Boost功率轉(zhuǎn)換器、功率輸出開關（OPSW）、Boost控制電路、電源選擇及輔助電源。并針對輸入開關（SSPC）、輔助電源、Boost控制電路設計功能測試電路，可以在進行BIT時，測試電源模塊內(nèi)部關鍵功能，極大地提升了電源模塊的測試性，同時提升了電源模塊的可靠性和安全性。