基于I9000系统的DC-DC电源模块测试夹具设计∗

时间：2024-05-04

姚鼎

（中船重工第七一六研究所连云港 222000）

1 引言

由于DC-DC电源模块的设计和加工方式不同，包含多种封装形式，且电源模块是功率器件，存在大电流、大电压的情况［1］，因此在测试夹具设计上需要有符合测试要求的解决方案，既能满足多参数测试要求，又能满足通用性和批量性测试需求，同时兼顾精度和安全上的要求，保证测试过程及结果的准确、有效［2］。

2 DC-DC电源模块测试夹具现状

目前国内大多采用锁紧测试座子或装置制作测试夹具实现电源模块测试［3］，优点是插拔方便，低接触电阻，制作及操作简单，缺点是容易损耗玻璃绝缘子，不能过大电流，连接散乱，可靠性差，其测试夹具图如图1所示。

I9000测试系统搭配的通用测试夹具通过转换插针、测试夹及外部电路等连接方式来实现多参数测试的目的，每一次测试都需将测试夹连接样品引脚，测试效率低，且高电压、大电流模块也给测试过程带来一定的危险性，原有的人工介入，低效能、高风险的多管脚逐个测试连接的夹具测试方式已经无法满足批量测试的需要。

原测试系统测试夹具存在问题包括：

1）只能进行通用的连接，专用夹具只能在通用夹具外进行设计，使用时再连接到母夹具上，测试连接、转接和控制的点多，加大了测试风险；

2）测试连接不便，更换不同产品测试时的改线需要很大的工作量，测量效率低；

3）测试端无法直接连接到产品管脚位置，测量精度无法保证；

4）硬件资源引入不全，造成测试资源浪费，导致部分本可以完成的测试项目因夹具问题无法实现测试。

图2 通用夹具测试模式

3 DC-DC电源模块测试夹具设计

原系统通用测试夹具造成了测试效率低、测试安全性较差、硬件资源利用率低、部分参数无法实现测试、测试连线凌乱等问题，因此一种通用与专用相结合、连接可靠、操作简便、资源齐全的夹具解决方案非常重要。

在这种情况下，配合着测试程序设计，将测试需求融入到测试夹具设计中［4］，以通用型和批量测试应用为核心，采用系统资源独立输出连接，压流分开的原则，保证测试中可以严格按照开尔文测量方式连接［5～6］，利用子母夹具的设计模式，母夹具与测试系统直接连接，将系统的资源尽可能地引入到母夹具中，母夹具的设计以结构设计和接口设计为主，子夹具与母夹具端口一致，实现母夹具资源的全输出连接，模块测试的拆装环节设计中以机械安装方式代替手动连接，提高测试效率［7］。子母夹具功能上应满足：

1）与测试系统的连接可靠，插拔方便，简单；

2）通用性强，能够覆盖多种类的电源模块测试；

3）与产品引脚连接，接触电阻小，否则会产生电压损耗；

4）能够过高频信号，保证测试纹波准确；

5）能够过大电流，可以测试VICOR电源模块；

6）走流线和测量线完全分开，严格按照开尔文测量方式连接，保证精确测量。

母夹具提供统一的、通用的输入、输出接口，子夹具根据不同器件类型、管脚定义、外观尺寸、测试指标进行设计，测试时针对不同器件只需要更换不同的子夹具即可。子母夹具的设计要求外围电路少、布线合理、不需额外增加滤波处理、可靠性高（耐插拔10000次以上）、寿命长［8］。

1）测试夹具与测试系统接口设计［9］

（1）功率型接口：电流大于等于50A、耐压大于等于1500VDC，绝缘电阻大于等于1000MΩ，承受功率大于等于400W；

（2）信号型接口：接触电阻最大10mΩ，绝缘电阻大于等于4000 MΩ，直流耐压大于等于1500VDC；

（3）频率型接口：频率不小于1GHz，直流耐压大于等于1500VDC，绝缘电阻大于等于1000MΩ；

（4）使用寿命大于等于2万次。

2）子母夹具接口设计

（1）接口之间无信号干扰，资源设计同测试设备接口资源对应；

（2）设计机械联动机构推动承载台的水平移动；

（3）子母夹具接口通过连接器连接，连接器的接触件分为三种：输入源和电子负载的输出端选用大电流接触件、反馈端选用信号接触件或高频接触件、测试控制和显示端选用信号接触件［10～11］，三种接触件的具体指标要求如下：

大电流接触件：电流大于等于50A，直流耐压大于等于1500VDC，绝缘电阻大于等于1000MΩ；

高频接触件：频率范围不小于1GHz，直流耐压大于等于1500VDC，绝缘电阻大于等于1000MΩ；

信号接触件：接触电阻小于等于10mΩ，绝缘电阻大于等于4000MΩ，直流耐压大于等于1500VDC；

使用寿命大于等于2万次。

3）子夹具与器件接口设计［12］

（1）子夹具与器件连接采用弹性探针，实现四线测试方式；

（2）设计机械联动机构实现探针的水平移动控制，严格控制测试探针的行程距离以控制探针接触力，既满足接触可靠性又满足器件受力可靠性；

（3）器件引脚插孔的大小需要保证器件引脚安装，并且器件引脚安装过程中无插拔力；（4）pin针指标性能：工作行程 ≥6mm可选择弹力：1.0N 2.0N 3.0N

额定电流 ≥50A电阻特性 ≤5mΩ。

4）物理结构设计

（1）测量结构是采用四线测试方式，器件输入端、输出端引脚连接线、force high、force low、sense high、sense low实现工程连接的分离［13］；

（2）测试夹具物理尺寸需要满足器件尺寸要求；

（3）与测试系统测试平台承载测试盒部分的面积尺寸匹配；

（4）保证安装的合理性。

3.1 母夹具设计

在母夹具的设计上，首先进行结构的设计，将测试电路及线缆都封装在测试盒中，测试盒由单块电木组装而成，通过定制连接器与测试系统相连。由于子母夹具在连接的时候插针很多，手动拆装吃力且不方便，容易造成连接器位置偏离，影响使用寿命，因此在结构上引入机械辅助结构装置［14］，物理结构设计图如下：

图3 机械辅助结构图

其中子母夹具连接是通过滑轨与摇杆的联动机构完成水平移动，是在一条轨道上的水平移动，不会产生偏移：当摇杆逆时针转动90°，达到最大行程时，子夹具测试盒通过连接器与母夹具相连，且在最大行程处无法再移动，同时起到了自锁的功能；将摇杆反向转动90°时，子夹具水平脱离母夹具，操作简单，取放方便。

其次在电路设计中，基于对测试系统所有资源的分析，根据通用配置的需要，尽可能地将硬件资源引入到母夹具中，母夹具与系统硬件资源的接口包括：3路DC输入及测试接口、7路电子负载及测试接口、4路示波器测试端、数字采集器、功率计等。

最后在子母夹具接口上，为使信号，大电流，高频信号完全分开，降低相互间的干扰，提高测试精度，采用两组连接器作为子母夹具的接口，一组安装大电流连接针和屏蔽针，最高达到65A持续工作电流；一组安装信号针，可单独承载10A工作电流，最大程度地实现测试系统资源的有效对接。

3.2 子夹具设计

在一台母夹具的基础上，不同封装的电源模块只需要一种对应的子夹具，子夹具设计采用探针式测试结构，并与母夹具的接口保持一致，引入几乎所有母夹具的测试资源，设计中主要考虑资源连接的全面性、布局的合理性、连接的便捷性、测试的可靠性。为了提高测试的准确性，测试时，分为测量线，走流线，每一根测量线通过探针接触到被测元件的根部，保证测量的准确性［15］，所以每个被测功率引脚必须有两根探针接触，这也给机械结构提出了高的要求。

子夹具的设计分为专用子夹具和通用子夹具，一个专用子夹具只针对一种具体固定封装形式，通用子夹具则是通过PCB进行二次转接完成测试，子夹具只进行接口设计，完成母夹具资源的引入，再在PCB板上进行测试电路的设计，主要针对小功率电源模块的测试，可以节约制作成本。

图4 专用子夹具物理结构图

图5 通用子夹具物理结构图

电源模块作为功率级器件，需要充分考虑到大电流情况下子夹具与产品引脚的连接，既要保证接触充分，又要保证接触电阻小，否则会产生电压损耗，影响测试结果的准确性，探针式测试结构的引入很好的解决上述问题，也为大批量工程化应用打下了基础，探针式测试的优点有：

1）能过大电流，从最小2A，5A，10A，20A，50A，或更大，可以根据测试需要合理地进行配置；

2）不伤绝缘子，探针本身就有弹力，有1N，2N，3N的，故只要控制好探针的行程，不会伤绝缘子，且能保证接触的可靠性；

3）维护方便，容易更换，探针是易耗品，当探针磨损了，只需要从针套中拔出，再插入新的探针就可以继续使用；

4）使用寿命长，依据型号不同，探针插拔次数最少10万次或更多，详见厂家的说明；

5）低接触电阻，一般小于3mΩ。

图6 子夹具探针与器件引脚接触结构图

测试探针的选取，首先根据产品引脚之间的间距、引脚的直径以及引脚的长短配合探针的使用方法综合选择适用的型号，其次根据被测产品需过多少安培电流，选择过相对应电流的探针，子夹具探针式测试结构图如图7所示。

探针都是有弹性的（弹PIN），一般选择2N，在接触被测产品引脚时能起到有效缓冲作用，针对引脚相同，厚度不一样的封装，可以通过弹PIN行程实现自动调整，通过压块下压产品进行测试，实现不同厚度封装共用一个子夹具。