DC/DC 变换器电参数自动测试系统应用案例

一、方案概述

电源模块（DC/DC 变换器）广泛应用于国防、民用等各个领域，具有种类多、产量大的特点，随之产生大量相关测试工作。传统手动测试存在测试周期长、易出错、测试一致性差等问题，为此研制电源模块自动测试系统，可大幅提高测试效率与一致性。本案例以多功能电源测试系统的建设为主线，阐述系统总体架构、测试设计与实施效果：该系统适用于输入路数最多 6 路、输入电压最高 600V、输入电流最大 50A，输出路数最多 7 路、输出电压最高 450V、输出电流最大 100A、输出功率最大 2.4kW 的混合、模块、组件 DC/DC 变换器的电参数自动测试。

系统依据 SJ 20646-1997《混合集成电路 DC/DC 变换器测试方法》、QJ1467A-1997《电源变换器测试方法》、GJB 9135-2017《军用交直流电源特性自动检测系统通用规范》、GJB 4538A-2017《军用开关型大功率直流试验电源规范》、GJB 3947A-2009《军用电子测试设备通用规范》等标准规范研制，测试方法满足现行国军标与行业标准要求。

系统设计与建设遵循“可靠性、安全性、多功能、自动化、可扩展”五项原则：可靠性方面，电源产品作为系统中的关键部组件，其测试系统必须具有很高的工作可靠性和性能可靠性，需在研制过程中开展整机、硬件、元器件、软件、工艺等方面的可靠性设计；安全性方面，系统内集成多种高压大电流仪器设备，需防止高压回路瞬时短路放电、短路、漏电等故障危及被测产品与人身安全；多功能方面，一套系统面向多种电源部组件产品，需控制十余台套仪器设备，满足二十多种参数测试需求；自动化方面，依据测试要求对编排好的测试资源在无人工干预下完成大量测试任务，并记录、分析测试结果；可扩展方面，系统采用开放式架构并预留扩展物理接口，支持新产品测试保障与新增参数开发。

关键技术包括参数配置建模（以总线层、设备层、接口层、路由层、数据块层、参数层六级树状结构描述系统网络拓扑与数据传输协议）、测试流程自动化（测试项目、测试指令、测试流程均可配置）、数据判读自动化、智能仪器驱动控制（基于 SCPI 规范）、变量与表达式计算及二次开发、测试数据集中管理等。上述技术分别在第 3 章“测试设计”的相关环节落地实现。

二、总体架构

2.1 系统架构设计

系统采用开放式、网络化硬件架构与分层软件架构，软件总体结构自下而上分为五层：仪器设备层（各类程控电源、电子负载、功率计、示波器、数据采集仪、万用表、信号源、频谱矢量网络分析仪等）、设备接口层（仪器通信与驱动）、通讯服务层（测试服务软件与逻辑驱动软件，完成测试控制命令、设备控制命令、指令数据处理与遥测数据回传）、测试应用层（参数配置软件、测试监控软件、查询分析软件等）、管理工具层（系统设置工具、用户管理工具等）。各层之间通过标准接口通信，系统内所有仪器通过网线接入交换机实现程控，程控接口以 LAN 为主并支持 SCPI 控制指令。

图1 系统框图

2.2 系统组成

表 1  系统设备组成

上述设备按五层软件架构组织：仪器设备层完成被测信号的激励与测量，通讯服务层完成测试命令与遥测数据的转发，测试应用层完成测试过程管理、数据处理与数据归档查询。

三、测试设计

3.1 测试参数与测试项

系统测试参数覆盖电源产品的输入特性、输出特性、稳定度、时序及瞬态、保护性能等类型，共 24 项，如表 2 所示。

表 2  电源测试参数

3.2 参数配置与测试环境建模

参数配置是本系统的一大特色。由于不同测试产品、不同测试阶段的测试环境连接关系存在差异，无法建立通用的模型适应所有测试任务，因此通过参数配置管理软件搭建不同的测试环境、完成不同任务的测试建模。参数配置采用具有鲜明层次的树状结构，分为总线层、设备层、接口层、路由层、数据块层和参数层，可清晰表达系统网络拓扑结构并定义数据传输协议；用户可通过该软件完成测试仪器与被测件的物理连接、参数配置，以及总线、设备、接口与路由定义，并可直接控制矩阵微波开关实现测试。

根据电源产品测试要求，参数配置部署在各测试工位，每个测试工位建立一个参数配置项目工程并负责本工位测试，各工位参数配置信息汇总到服务器端统一管理与备份。建模时以测试设备为对象建立文件树，在接口层一级建立与被测设备的映射关系，直接选取相应的测试设备型号即可；各测试设备的相关指令格式和拓扑关系在系统部署时输入数据库，执行测试任务时无需修改参数配置。

3.3 自动化测试与自动判读

系统具有过程控制、测试项目编辑与数据分析处理功能，具备信号处理、分析和数学运算能力，可快速采集实际信号、分析已确定有用的数据并存储结果；软件功能可由用户自定义，如自定义测试操作界面、生成自定义报告、创建和修改测试项目等。测试程序激励响应基于 SCPI 规范，支持变量和表达式计算，属于开放式软件，可根据模板快速开发新的项目测试程序。

经配置测试细则可实现一键测试及报告输出：系统根据测试序列与判读结果自动完成测试任务，对异常数据给出报警。自动判读根据测试需求与测试模型自动生成判读模型，生成标准模型（常规判读）与误差模型；测试数据实时判读、记录并显示，判读结束自动形成测试报告。测试报告包含试验组成员表、项目要求值/实测值/结论对照表以及逐项实测数据表，支持测试数据导出为 Access 或 Excel 格式，并支持测试数据的查询、分析、统计与回放。

3.4 安全监控与系统自检

系统具备被测设备安全监控功能，可防止因设置不当导致输出功率太大而烧毁设备的情况发生；同时具备系统自检功能，对数据库容量、硬件板卡与程序文件进行自检（支持 MD5 校验），保障系统运行的可靠性与安全性。

3.5 软件功能模块

系统软件由参数配置软件、测试监控软件、测试服务软件、逻辑驱动软件、查询分析软件、系统设置工具与用户管理工具等模块组成：参数配置软件完成测试环境建模、导入导出与配置信息统计；测试监控软件提供可配置插件、变量与表达式计算、自动判读及被测设备安全监控；测试服务软件完成与数据库、监控软件、逻辑驱动软件之间的数据存取与通信；逻辑驱动软件处理测试控制命令、设备控制命令与指令数据，并将遥测数据发送至测试服务器；查询分析软件提供测试数据查询、分析与统计；系统设置工具与用户管理工具完成角色、用户及产品测试工程管理。软件开发采用 QT 5.12 集成开发工具与 MySQL 5.5 数据库系统，支持 Windows 7 / Windows 10 运行环境。

四、实施效果

多功能电源测试系统研制完成后，已在 DC/DC 变换器产品验收测试中投入使用。以下为某型二次电源产品（型号 BD-2A，代号 WH04205T1/18，编号 2005-18）验收测试的实测情况。

表 3  系统主要量化指标

4.1 测试覆盖成效

该产品验收测试累计形成 372 项实测数据，覆盖 16 个测试项目，包括反射纹波电压、输出电压/电流/效率、输出电压准确度与稳定度、启动时间、输入浪涌电流与上升斜率、输入电压阶跃响应、-50%～100% 负载跃变响应、遥测阻抗与电压、输出保护电流与功率、输出过流保护反应时间与恢复时间、主备切换下冲幅值与调整时间等；覆盖输出 1（额定 5.3V）、输出 2（额定 12.6V）、输出 3（额定 -12.6V）三个通道，以及主份、备份、主备合三种工作模式。全部实测数据经自动判读，结论均为“合格”。

4.2 效率与质量成效

• 效率效益：测试流程自动化执行，一键测试并自动生成报告，替代原手动测试的逐项记录与计算，显著缩短测试周期。
• 质量效益：数据判读自动化，避免人工读数与计算误差；372 项实测数据判读结论一致，测试一致性与可追溯性显著提升。
• 人员效益：测试项目、测试指令与测试流程均可配置，测试序列开发无需软件编程技能，降低对测试人员的技能要求。
• 标准符合性：测试方法遵循 SJ 20646-1997、QJ1467A-1997、GJB 9135-2017 等现行国军标与行业标准。
• 可扩展性：系统采用开放式架构与参数配置建模，支持新增产品与新增参数的快速二次开发。

五、综合效益与结论

综上，多功能电源测试系统在测试覆盖范围、自动化水平、测试一致性、数据管理能力与可扩展性等方面均达到设计要求，有效解决了电源模块手动测试周期长、易出错、一致性差的问题，可为混合、模块、组件 DC/DC 变换器电参数测试提供通用化、自动化的测试保障。