国产DC/DC 模块板级设计与实现

吴海平，蔡刚，黄菊莲，王彩云，权亚娟

（西安西谷微电子有限责任公司，陕西西安，710124）

0 引言

随着军用融合口号的提出，以及芯片国产化进程的飞速发展，国家与用户对军民产品的质量要求也越来越高，相关配套的电源模块的功能性能、质量可靠性和环境适应性提出了更高的要求。电源模块的研制也由“满足产品规范及合同要求”向“确保产品耐应力裕度、提高应用适应性、保证工程可靠应用”转变。因此，急需提高其技术成熟度和应用适用度，并经充分验证获取评价数据，得出明确评价结论并促进电源模块的成熟应用。

目前我国电源模块自研已经取得了很大的进展，技术水平飞速提高，产品系列更加完善。但已经完成研制的电源模块在型号中的推广应用过程中仍存在“不敢用”“不好用”“用不好”等问题，且标准化的电源模块测试实验方法和技术与实际应用情况存在一定的差距，实验项目和应力条件也不能覆盖电源模块的应用状态，通过自测试或者第三方二筛后的模块在应用过程中仍然出现了不少问题，影响了用户将其应用于工程中的信心，另外一方面，国产厂家提供的电源模块信息数据尚不能充分表征其功能性能、质量可靠性和环境适应性，难以充分指导用户使用，这就使得用户偏向于已有成功应用案例、数据充分的国外成熟电源模块，新研制的国产电源模块的推广难度变得更大。本文在国产器件中选用了一款DC/DC 电源模块进行板级设计，充分考虑其功能性能、质量可靠性以环境适应性，完善其测试方法，针对该模块的实际应用情况，有针对地进行相关测试工作，确保将模块应用中的风险降至最低。且对厂家研制及客户使用DC/DC 电源模块有着很大的借鉴意义。

1 总体方案

DC/DC 板级测试设计总体方案包括：DC/DC 模块、供电电路、散热处理、供电指示电路、去耦电路、测试点网络、SMA 示波器检测口、电源输出、电子负载以及用于环境适应测试的力学定位孔。围绕DC/DC 电源模块设计一款用于验证其功能性能的板级测试系统，通过完成其功能性能及环境试验得出其测试报告，完成生产厂家的测试验证要求时，在进行市场推广应用时，对客户有着很好的推荐设计作用。

方案框图如图1 所示。

■1.1 DC/DC 模块

板级设计选用了国产某公司的MV24C12M150B DC/DC电源模块。模块采用PCB 板及表面组装工艺，封装采用铝基座、金属塑料复合外壳配合灌封制作。

引出端排列及引脚功能如图2、表1 所示。

图2 引出端排列

推荐工作条件：

输入电压VIN：18V～40V；

输出电压VOUT：11.88V～12.12V；

工作温度范围Tc(M 级)：-55℃～100℃；

贮存温度范围Tstg(M 级)：-65℃～125℃。

■1.2 供电电路

供电电路中考虑该测试板需要在力学环境下工作，所以采用耐大电流、防反插、防尘、易紧固的航空接插件作为供电口，其接触电阻为0.55mΩ，额定电压500V，额定电流30A，瞬时电流60A，匹配线径12AWG，完全匹配电源模块大功率需求，使用直流稳压源提供稳定电源输入。航空接插件如图3 所示。

图3 航空接插件

■1.3 散热处理

由于电源模块属于功率模块，其运行功耗过大，容易发热影响其性能参数测试，在进行PCB 设计时需进行散热处理，所以在设计时候尽可能做散热焊盘，以及外接散热器，并且在散热片和电源模块的接触面涂有散热硅脂，加快其散热速度。使得电源模块不会因为过热而烧毁。散热片如图4所示。

图4 散热片

■1.4 供电指示电路

如图5 所示为供电指示电路。采用了串联10k 电阻以及绿色LED 灯作为供电指示电路，方便通过灯效显示其工作状态，当发现电源指示灯过于暗时，还可以通过更换串联电阻10k，变为更小的电阻，使经过绿色LED 灯的电流增大，亮度变大。在做三温工作稳定性以及环境适应性时，测试人员可以通过灯效判断DC/DC 模块是否发生故障，进行紧急处理，在进行功耗计算时，需要考虑到LED 的功耗。

图5 供电指示电路

■1.5 去耦电路

在电源输入输出均设计有去耦电路，在电源输入端其作用是把输入信号中的高频噪声杂波进行滤除，在电源输出端其作用是把输出信号中的干扰滤除掉，确保电源输出电压干净平滑，使用输入级的去耦电容应选择一个耐压较高的电容100μF/450V，保证电源输入能够干净平滑，排除待测试器件因为输入级电源的原因导致功能性能出问题的因素，输出端选择电容4.7nF 以及0.01μF 滤除掉高频噪声的干扰，使其输出电压纹波达到模块详细规范范围内，如图6 所示。

图6 去耦电路

■1.6 测试点网络

为了便于观测DC/DC 模块的各管脚波形及参数，在进行PCB 设计时，在其管脚处均增加过孔测试点，随时通过示波器测试其性能参数是否达标，比如启动时间、输入输出纹波等参数。如图7 所示。

图7 测试点网络

■1.7 电源输出

电源输出位置亦采用航空接插件作为输出口，通过连接高精度万用表测试其输出电压值是否符合详细规范，并预留了SMA 输出波形检测口，使用50Ω 阻抗匹配的屏蔽线进行示波器连接，监控其输出波形及相关时间参数。如图8 所示。

图8 电源输出及SMA 检测口

■1.8 电子负载

为了测试出DC/DC 电源模块其最大带载能力，本设计不采用传统的功率电阻进行拉载测试，其精度无法满足测试要求，且需要频繁更换功率电阻。而是使用航空接插件连接电子负载，测试出其带载能力是否符合详细规范，电子负载选择ITECH 公司可编程直流电子负载测试检测仪IT8500，其具备多种模式，如定电压、定电流、定电阻、定功率等，高达10kHz 动态模式，自动测试功能，还可支持RS232/USB串口通信接口以及断电保持记忆功能。电子负载如图9 所示。

图9 电子负载

■1.9 原理图及PCB 设计

原理图如图10 所示。

图10 原理图

PCB 设计时应该注意以下几点：

（1）选取的器件封装尽可能达到待测试DC/DC 模块的温度级别，这样尽可能保证在进行环境实验室比如温度循环试验，能够排除外围器件温度指标不够导致电源模块测试板功能失效。

（2）为了更好地观察待测试DC/DC 模块器件的各管脚输入输出波形，在布线时，在其控制端、信号输入输出端引出测试点，内径为1mm。

（3）为了保证供电电源平滑干净，在模块信号输入输出端以及芯片的电源脚增加了去耦电容，去除点高频尖峰脉冲对模块信号的干扰。

（4）为了保证电源模块更好地散热。PCB 设计时充分考虑到增加覆铜散热GND 焊盘以及外接散热片。

（5）为了保证信号之间不会发生相互串扰，充分考虑到电源输入与电源输出的地隔离设计。

（6）板子四个边缘的定位孔是为了匹配振动台的安装与固定，在进行振动试验时，可以通过这些定位孔对验证板进行固定。

PCB 如图11 所示。

图11 PCB

2 实现与试验

■2.1 实物及设备清单

如图12 为设计实物图，搭建试验环境，实验设备如表2 所示。

表2 试验设备清单

图12 实物图

■2.2 实验流程

（1）将验证板卡置于特定环境中；

（2）连接直流源、示波器以及电子负载；

（3）直流电源VCC 设置为典型电压值24V，并上电；

（4）输出端连接高精度万用表；

（5）连接SMA 屏蔽线与示波器探头，示波器监控输出及相关测试点，测试相应的测试项目。

■2.3 试验结果

试验目录及试验结果如表3 所示。

表3 实验结果表

3 总结

经自评以及组织公司技术负责人、用户单位代表、研制单位代表等多方专家和代表对该DC/DC 电源模块测试板的设计方案、试验类型、试验流程、试验结果及最终测试报告进行了评审，所设计的DC/DC 电源模块板级能够匹配用户级研制需求，功能性能方面能够完全兼容国外VICOR 公司的 V24 系列DC/DC 电源模块，并对同型号同系列的DC/DC电源模块设计有着很大的借鉴意义。