机载计算机电源测试性设计与分析

中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 李子河 高 栋 赵振宇 刘国美

随着机载计算机的电气集成度不断提高，机载计算机电源的高安全性、高可靠性设计也越来越重要。通过设计测试电路用以支持机载计算机电源的测试性需求，可通过BIT达到定位、隔离故障的目的。实现机载计算机电源的高安全性、高可靠性的设计要求。本文提出了设计前、中、后三级的测试电路用以支持电源的测试性需求，前级测试输入开关的开通及关断功能，中级测试辅助电源的过压保护功能，后级针对Boost电路的过压检测电路进行测试。通过三级测试电路的检测，可在电源模块在上电BIT时检测故障，隔离故障，极大提升机载计算机电源的可靠性和安全性。

测试性是指产品通过机载设备机内测试BIT（Built-in Test），可以及时准确地定位内部故障，其中包含可工作、不可工作、性能下降三种故障状态。良好的测试性可以通过产品BIT达到定位、隔离故障的操作，可以极大提升产品的安全性。产品测试性工作需要贯穿于产品设计的整个过程，通过不断设计迭代，不断完善产品的测试性和安全性能指标。

随着电子技术的不断发展，机载设备的电气集成度不断提高，在功能性能提升的同时，对电源可靠性、测试性的要求也越来越高。为了实现快速定位故障、隔离故障部件，完善电源的测试性电路至关重要。结合某项目机载设备，提出一种电源架构及其测试电路方案。

1 背景及架构

某机载设备电源直流模块的架构如图1所示，该电源模块的功率转换部分由以下7个功能块组成，分别为：前级EMI滤波器、输入开关（SSPC）、主EMI滤波器、Boost功率转换器、功率输出开关（OPSW）、Boost控制电路、电源选择及辅助电源。其主要功能如下所述：

（1）前级EMI滤波器：前级EMI滤波将机上28V汇流条上的电压进行滤波。该部分的主要功能为减小输入电源的纹波及干扰，提升输入电能的质量，并兼顾电磁兼容的设计需求。

（2）输入开关（SSPC）：固态功率控制器实现电源模块的输入端的开关功能，同时可提供正向过流保护功能及反向防反灌关断功能。

（3）主EMI滤波器：主滤波电路主要功能为提升Boost前级的输入电能质量，减小纹波及干扰。

（4）Boost功率变换器：Boost功率变换部分实现对电压的升压变换及稳压，同时还包含过压保护功能，峰值电流控制功能，该部分还需支持过压故障注入功能，用以检测过压保护电路是否正常工作。

（5）功率输出开关：输出开关的作用为防止电流反灌。

为了提升产品的测试性及安全性，主功率部分的关键电路都需要设计测试电路，用以支持BIT故障检测、定位功能。针对该电源模块提出前、中、后三级的测试电路设计理念。

输入开关电路决定电源模块的开通及关断，在需要切入时，输入开关开通；当电源模块出现故障时，需要切断输入开关隔离故障，同时对电源模块进行过流保护及电流的防反灌保护。输入开关的功能至关重要，因此需要设计前级测试电路对输入开关的功能进行测试；

辅助电源对电源模块的内部功能电路进行供电，辅助电源的故障会导致电源模块丧失功能，甚至辅助电源的过压故障会损坏电源模块内部芯片，因此需要设计中级测试电路，测试辅助电源是否能正常工作。

Boost功率变换电路作为该电源模块的核心DC-DC转换模块，其测试电路设计至关重要，需要设计后级测试电路，针对其过压保护电路的功能进行检测。

2 设计方案

2.1 主功率方案设计

该电源DC-DC变换采用Boost电路，Boost电路具备拓扑成熟、控制逻辑简单、可靠性高等特点。其电路拓扑如图2所示。

图1 电源模块架构

图2 Boost电路拓扑

其传递函数为：

Boost拓扑具备升压、直通两种工作模式。基于该特性，Boost在任何故障情况下都不会断电。但Boost拓扑具备只能进行升压的固有特性，导致一旦电压环出现故障，理论上输出电压会无限制增大，影响后级设备的工作。因此，Boost电路的过压保护电路极其重要，目前过压保护电路的设计十分成熟，但是绝大部分电源没有针对过压保护电路的BIT测试功能，对产品的测试性、可靠性造成影响。因此，为了提升该产品电源模块的测试性，需要设计过压保护电路的测试电路。

2.2 测试电路设计

该电源的测试电路采用前、中、后三级的测试电路用以支持电源的测试性需求。前级测试电路作用于输入开关，对切换功能进行测试，在系统进行BIT测试时，可通过逻辑电路进行对测试信号的处理，强制将POWER_ENABLE信号拉高或者拉低，再通过电源的状态上报信息用以测试前级输入开关是否可以正常工作，其原理如图3所示。

该电路可准确地对输入开关的功能性能进行测试，可以在上电BIT时对其开关性能进行检测，当TEST_OFF为高电平时，可以将POWER_ENABLE强制拉低，用以测试输入开关的关断性能；当TEST_ON为高电平时，可以将POWER_ENABLE强制拉高，用以测试输入开关的开通性能，通过对电源的切换性能测试，极大提升产品的安全性。

中级测试电路作用于辅助电源，对辅助电源的过压保护功能进行测试。在进行BIT测试时，发送测试信号TEST_BIAS，电源通过逻辑处理电路对辅助电源的过压保护电路进行激励，然后通过采集辅助电源的过压信号对过压保护电路的工作状态进行判断，并上报过压保护电路是否可以正常工作，其原理如图4所示。

图4 过压测试电路

过压保护电路通过检测辅助电源输出电压V_BIAS与基准V_REF进行比较，当不进行过压电路检测时，TEST_BIAS为低电平，若此时辅助电源不过压，过压检测信号BIAS_OV输出低电平，不触发过压保护；当进行过压电路检测时，TEST_BIAS激励为高电平，V_REF通过R2和R3进行分压，强制将辅助电源的过压检测信号BIAS_OV置为高电平，触发辅助电源的过压保护功能。上位机通过对辅助电源状态的检测，判断辅助电源过压保护功能的状态，判断该电路是否异常。

后级测试电路作用于Boost模块的过压检测电路，其原理与辅助电源的过压测试电路相同。测试信号通过将基准进行分压，用来模拟Boost电路的过压故障。同时Boost向上位机提供主开关管的开关状态，上位机对其进行判断，检测Boost的过压保护电路是否正常工作。该电路对Boost电路的过压保护电路功能进行BIT检测，可保证Boost电路在出现过压故障时及时关断，避免出现Boost过压损坏后级用电设备。

通过对电源模块的前、中、后三级进行测试，在上电BIT时测试电源模块的切换功能、辅助电源保护功能、Boost电路过压保护功能。通过对电源模块的功能性能测试和保护功能测试，可以迅速发现故障、定位故障，极大地提升了产品的测试性、安全性。

结语：本文提出了一种机载设备电源直流模块的架构，并针对该架构设计了前、中、后三级测试电路提升该电源模块的测试性。架构包含：前级EMI滤波器、输入开关（SSPC）、主EMI滤波器、Boost功率转换器、功率输出开关（OPSW）、Boost控制电路、电源选择及辅助电源。并针对输入开关（SSPC）、辅助电源、Boost控制电路设计功能测试电路，可以在进行BIT时，测试电源模块内部关键功能，极大地提升了电源模块的测试性，同时提升了电源模块的可靠性和安全性。