機載計算機電源測試性設計與分析

中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所 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。

測試性是指產品通過機載設備機內測試BIT（Built-in Test），可以及時準確地定位內部故障，其中包含可工作、不可工作、性能下降三種故障狀態。良好的測試性可以通過產品BIT達到定位、隔離故障的操作，可以極大提升產品的安全性。產品測試性工作需要貫穿于產品設計的整個過程，通過不斷設計迭代，不斷完善產品的測試性和安全性能指標。

隨著電子技術的不斷發展，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。結合某項目機載設備，提出一種電源架構及其測試電路方案。

1 背景及架構

某機載設備電源直流模塊的架構如圖1所示，該電源模塊的功率轉換部分由以下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，提升輸入電能的質量，并兼顧電磁兼容的設計需求。

（2）輸入開關（SSPC）：固態功率控制器實現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前級的輸入電能質量，減小紋波及干擾。

（4）Boost功率變換器：Boost功率變換部分實現對電壓的升壓變換及穩壓，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

圖2 Boost電路拓撲

其傳遞函數為：

Boost拓撲具備升壓、直通兩種工作模式。基于該特性，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，導致一旦電壓環出現故障，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，對產品的測試性、可靠性造成影響。因此，為了提升該產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，觸發輔助電源的過壓保護功能。上位機通過對輔助電源狀態的檢測，判斷輔助電源過壓保護功能的狀態，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，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電路在出現過壓故障時及時關斷，避免出現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，可以迅速發現故障、定位故障，極大地提升了產品的測試性、安全性。

結語：本文提出了一種機載設備電源直流模塊的架構，并針對該架構設計了前、中、后三級測試電路提升該電源模塊的測試性。架構包含：前級EMI濾波器、輸入開關（SSPC）、主EMI濾波器、Boost功率轉換器、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。