CN103336250B

CN103336250B - 基于电压自适应技术的dc/dc电源变换器单粒子效应检测系统

Info

Publication number: CN103336250B
Application number: CN201310294499.7A
Authority: CN
Inventors: 李鹏伟; 罗磊; 王文炎; 于庆奎; 唐民
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-07-15
Also published as: CN103336250A

Abstract

一种基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统，由辐照试验板、负载及程控电源、信号采集处理集成系统、计算机控制与显示四部分组成，所述信号采集处理集成系统由自适应信号采集端接线盒、采集卡、嵌入式控制器组成，所述负载及程控电源由电子负载负载箱和程控电源组成，所述辐照试验板包括3块安装被测试电源模块的安装工位。

Description

基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统

技术领域

本发明涉及一种DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统，尤其是一种基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统。

背景技术

电源系统是航天器重要的载荷服务系统之一，而电源系统中使用的DC/DC电源转换器（二次电源）负责将一次电源母线电压变换为次级用电负载所需要的二次电压。因此，DC/DC电源转换器的性能稳定性直接关系到二次电压的供电品质。空间辐射环境中存在的辐射粒子会对应用在电源系统中的DC/DC转换器产生辐射效应，引起器件电气性能退化或失效。因此，需要对航天器选用的DC/DC电源转换器进行抗辐射能力评估。

目前，DC/DC转换器主要具有电离总剂量效应、位移损伤效应（含光耦时需考虑）和单粒子效应，其中电离总剂量效应和位移损伤效应是累计性辐射损伤，单粒子效应时瞬时效应。而单粒子效应中的单粒子烧毁是硬损伤，直接导致器件功能失效；单粒子瞬态效应对应用电路也具有一定影响，但可根据应用条件及加固设计等情况滤波而降低影响。

现有DC/DC单粒子效应检测系统虽然很好的完成了各项试验任务，但在对样品适应性、工程化要求等方面仍然存在不足，具有很大的改进和提升的空间。存在的问题主要表现在以下方面：（1）DUT板无法兼容不同封装结构的器件：现有DC/DC单粒子效应检测系统的DUT板是针对具体封装形式的器件开发的，无法兼容其他封装形式的器件。（2）输出电压信号采集适应性不足：现有DC/DC单粒子效应检测系统只能实现0~±12V范围内的自动调整，对超出这一范围的信号，如±28V输出电压信号灯，则需要根据具体情况，用电阻搭建分压电路来对电压信号进行调理。这种临时性做法，既不规范，可靠性也不够高，同时具有破坏性。此外，不同次实验中，临时搭建的分压电路难以保证一致性，会影响试验结果的一致性。（3）系统工程化有待提高：系统体积庞大、重，携带不方便；系统集成度低，线缆繁多，准备复杂；系统各部件之间的连接线缆很多，接线辐照，实验前需要准备的时间较长，潜在的故障点较多，一旦出现故障，排查困难；系统接口缺乏防呆设计，目前系统中，尤其是辐照试验板及负载箱的某些接口缺乏防呆设计，防止因误操作而接错，从而导致样品、检测系统部件的损坏。（4）系统软件数据分析有待提高：实时性：现有系统是在Windows XP操作系统平台上，NI Labview环境下开发的，系统资源消耗大，实时性较差。因此，在同时采集多路DC/DC电压信号波形时，存在着因响应不及时而漏掉单粒子数据信息的风险。信号滤波：DC/DC模块的单粒子瞬态脉冲出现后，往往紧跟着一些震荡波形和纹波信号，现有系统在统计单粒子瞬态脉冲数时，有时会把某些类似脉冲的噪声信号波形也作为脉冲加入统计数字，导致统计脉冲数的不准确。要解决这一问题，需要对现有软件的单粒子瞬态脉冲识别算法进行改进。界面及操作：现有两版系统软件界面风格不同，操作方式也不同，不利于实现标准化，要真正实现DC/DC单粒子检测系统的工程化，软件操作界面风格的统一化、操作模式的标准化不可少。

发明内容

本发明的一种基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统能够克服上述缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统，由辐照试验板、负载及程控电源、信号采集处理集成系统、计算机控制与显示四部分组成，所述信号采集处理集成系统由自适应信号采集端接线盒、采集卡、嵌入式控制器组成，所述负载及程控电源由电子负载负载箱和程控电源组成，所述辐照试验板包括3块安装被测试电源模块的安装工位，其特征在于：所述电子负载负载箱根据测试需要向所述辐照试验板提供电流负载、功率负载或者电阻负载；所述程控电源向所述辐照试验板提供电源；所述辐照试验板的输出测量端与所述自适应信号采集接线盒上的相应接线端子连接，用于接收所述辐照试验板的输出电压，所述自适应信号采集接线盒对所述输出电压进行信号调理，确保所述自适应信号采集接线盒输出的电压信号是所述采集卡可接受的信号；所述嵌入式控制器内置所述采集卡，并监控所述自适应信号采集接线盒，并向所述自适应信号采集接线盒发出指令，根据不同的信号调理参数选择相应的调理电路；所述计算机控制与显示与所述信号采集处理集成系统连接，用于实现各个参数的设置、记录测试的数据等功能。

本发明与现有技术相比，有益效果如下：本发明实现了：通用性，支持现有各种DC-DC类型样品的检测；便利性，针对DC-DC样品的各种输出电压值自动调整调理电路参数并复原，无需手动设置，实现了自适应电压调节；便携性，系统采用小型化方案，除程控电源外，所有部件重量不超过10千克，可放在一个箱子里面带走，便于外出试验时携带，采用输出电压自动选取、输入电压可调的自动适应方法拓展了该系统的应用范围和能力。

附图说明

图1为电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统装置结构示意图；

图2为采集接线盒示意图；

图3为采集设备尺寸图；

图4为电子负载负载箱前面板示意图；

图5为采集卡的原理框图；

图6为FPGA固件原理框图；

图7为缓冲区示意图；

图8为信号调理电路；

图9为电平转换电路；

图10为可变增益电路；

图11为可变增益电路的幅频响应。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统，由辐照试验板、负载及程控电源、信号采集处理集成系统、计算机控制与显示四部分组成，所述信号采集处理集成系统由自适应信号采集端接线盒、采集卡、嵌入式控制器组成，所述负载及程控电源由电子负载负载箱和程控电源组成，所述辐照试验板包括3块安装被测试电源模块的安装工位，其特征在于：所述电子负载负载箱根据测试需要向所述辐照试验板提供电流负载、功率负载或者电阻负载；所述程控电源向所述辐照试验板提供电源；所述辐照试验板的输出测量端与所述自适应信号采集接线盒上的相应接线端子连接，用于接收所述辐照试验板的输出电压，所述自适应信号采集接线盒对所述输出电压进行信号调理，确保所述自适应信号采集接线盒输出的电压信号是所述采集卡可接受的信号；所述嵌入式控制器内置所述采集卡，并监控所述自适应信号采集接线盒，并向所述自适应信号采集接线盒发出指令，根据不同的信号调理参数选择相应的调理电路；所述计算机控制与显示与所述信号采集处理集成系统连接，用于实现各个参数的设置、记录测试的数据等功能。

所述辐照试验板采用全铝制板构成，上面设置有可移动式卡片，能够实现对电源模块的安装和固定，同时具有较好的散热性能，辐照试验板的3块安装工位根据所述被测试电源模块的特性通过引线端子进行自由连接和组合。

与其他同类辐照试验板相比，该试验板上不带任何电阻、电容、电感以及其他电路元件，大大的提高了试验的可靠性和安装效率。

如图4所示，所述负载箱选用的是ITECH电子公司生产的IT8500系列单输入可编程直流负载，能够实现对DC/DC电源模块实现电流负载、功率负载以及电阻负载三种负载加载方式，并配备有RS232通讯接口。

所述程控电源主要是给被测电源模块实现供电和显示电源电流值。

所述信号采集处理集成系统通过所述自适应信号采集端接线盒自动采集所述被测试电源模块的输出具有电压值大小的双路或三路电压信号，同时将采集的信号进行分类管理，按照一定的标准将电压信号传递给所述采集卡，由所述采集卡将信号传递给所述嵌入式控制器进行处理，得到所述被测试电源模块的电压信号，实现对不同所述被测试电源模块的输出电压信号的自动识别与分类管理和处理的功能。

由于采集卡量程不超过±10V，而要测量的输出电压很多情况下都会超过±10V，因此要进行信号调理。

如图2所示，所述自适应信号采集接线盒具有控制端、第一接线端子、第二接线端子、调理电路选择控制电路、单路输出调理电路、双路正电压输出调理电路、双路负电压输出调理电路，根据所述控制端接收来自采集设备的I/O控制信号，所述调理电路选择控制电路从所述单路输出调理电路、双路正电压输出调理电路、双路负电压输出调理电路中选择调理电路，所述调理电路输出的电压范围不超过±10V，从而实现电压的自适应，所述第一接线端子接收来自测量端的信号，所述第二接线端子向采集设备的采集卡输出调理后的信号，所述第一、二接线端子通过所述单路输出调理电路、双路正电压输出调理电路、双路负电压输出调理电路对应连接实现对应数据的传输。

所述嵌入式控制器的配置为Intel P8500处理器、2G内存、IntelPM45中央处理器、2个100M/1000M的网卡、8个USB接口、至少一个PCI扩展槽。

所述嵌入式控制器是用来运行检测系统软件的平台，试验时需放在真空罐外不远处，内置一片采集卡，负责采集DC-DC模块各路输出的测量端信号。为便于外出实验时携带，推荐采用体积小巧的嵌入式控制器，系统配置在酷睿2双核2.0GHZ以上CPU，2GB以上内存，500GB以上硬盘，带有以太网口，USB接口，以及至少一个PCI扩展槽，用于插采集卡。DC-DC模块的单粒子瞬态脉冲宽度通常为几个到几十个微秒，为了能完整捕捉到其波形，推荐采样率在2M以上的采集卡，另外，因需要同时采集最多3个通道的信号，必须采用3通道以上的同步采集卡。为了节约存储空间，只存储单粒子瞬态发生时的波形，因此要求采集卡最好具备后触发能力。

如图5所示，所述采集卡包括PROM、模拟信号可变增益调理模块、多通道ADC、缓存、FPGA、PCI桥、PCI总线、电源区，所述采集卡用于采集所述测量端的信号，采样率为4MSa/s，分辨率为12bit/14bit，板载大容量SDRAM数据缓存，支持在线配置FPGA，提供标准的WDM驱动，提供API，方便二次开发，并具有后触发能力。

如图8-10所示，所述模拟信号可变增益调理模块包括信号调理电路、电平转换电路、可变增益电路。

可变增益放大器的幅频响应如图11所示。

如图6所示，所述FPGA包括ADC控制模块、增益控制模块、数据缓冲模块、数据复接模块以及总线控制模块；所述ADC控制模块在一定参数的设定下，控制ADC电路的工作模式和采样速率，并实现数据采集；所述增益控制模块动态改变可变增益放大器(PGA)的放大倍数，从而适应不同输入电压范围；所述数据复接模块实现多通道同步采样的数据的高速复接，并送往数据缓冲模块进行缓冲；所述数据缓冲模块利用板载的大容量SDRAM实现数据缓冲；所述总线控制模块实现了PCI Local Bus的总线仲裁，从而完成驱动对硬件的读写操作，功能还包括I/O读写操作、DMA读写操作。

所述计算机控制与显示能够实现0V~50V的1路、2路或3路输出电压的实时检测与显示，实现对DC/DC单粒子功能失效、单粒子瞬态效应的检测，其中单粒子瞬态效应检测的指标达到1mV，宽度精度达到5个ms的检测能力。

采集卡DB9定义如下表所示：

针脚	定义	针脚	定义	针脚	定义
						DB9-1	采集端口0	DB9-4	采集预留	DB9-7	GND
DB9-2	采集端口1	DB9-5	空脚	DB9-8	GND
						DB9-3	采集端口2	DB9-6	GND	DB9-9	GND

采集实验板DB9定义如下表所示：

针脚	定义	针脚	定义	针脚	定义
						DB9-1	IN	DB9-4	采集口2	DB9-7	采集GND
DB9-2	采集端口0	DB9-5	IN-GND	DB9-8	采集GND
						DB9-3	采集端口1	DB9-6	采集GND	DB9-9	空脚

本发明的基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统达到了如下各项指标：指标分为两个方面：单粒子效应检测的指标和系统样品的覆盖性指标，各项指标如下：

1、单粒子效应检测的指标

1）单粒子烧毁的检测：能够实现对输出直流电压范围在0~50V的监测，并且能够实现实时对变化数据的存储；

2）单粒子瞬态的检测：能够捕捉电压瞬时跳变的时间精度在1μs量级，瞬变幅度的精度在50mV量级，覆盖最大幅度为输出电压的50%。

2、检测系统样品的通用性指标

1）系统结构性能指标

A.结构适应性指标

在一块辐照板上实现对所调研70余种型号的单粒子效应的检测，满足其封装形式的要求；

支持输出直流电压范围0~50VDC/DC模块的试验。

B.系统便携指标

整个系统重量不超过5千克，系统体积不超过

C.可靠性指标

MTBT≥50000小时

2）操作功能指标

A.图形化，可视化的操作，试验参数自动设置，并具备各项参数的手动调节功能；

B.能够同时对单粒子瞬态和单粒子烧毁的实时在线显示与检测；

C.针对单粒子瞬态，能够实时监测，对变化的图像能够捕捉并显示，支持波形回放；

D.对发生单粒子瞬态波形的数据，可存储连续48小时以上的试验数据。

以上所述实施方式仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于电压自适应技术的DC/DC电源变换器单粒子效应检测系统，由辐照试验板、负载及程控电源、信号采集处理集成系统、计算机控制与显示四部分组成，所述信号采集处理集成系统由自适应信号采集端接线盒、采集卡、嵌入式控制器组成，所述负载及程控电源由电子负载负载箱和程控电源组成，所述辐照试验板包括3块安装被测试电源模块的安装工位，其特征在于：所述电子负载负载箱根据测试需要向所述辐照试验板提供电流负载、功率负载或者电阻负载；所述程控电源向所述辐照试验板提供电源；所述辐照试验板的输出测量端与所述自适应信号采集接线盒上的相应接线端子连接，用于接收所述辐照试验板的输出电压，所述自适应信号采集接线盒对所述输出电压进行信号调理，确保所述自适应信号采集接线盒输出的电压信号是所述采集卡可接受的信号；所述嵌入式控制器内置所述采集卡，并监控所述自适应信号采集接线盒，并向所述自适应信号采集接线盒发出指令，根据不同的信号调理参数选择相应的调理电路；所述计算机控制与显示与所述信号采集处理集成系统连接，用于实现各个参数的设置、记录测试的数据等功能，所述辐照试验板采用全铝制板构成，上面设置有可移动式卡片，能够实现对电源模块的安装和固定，同时具有较好的散热性能，辐照试验板的3块安装工位根据所述被测试电源模块的特性通过引线端子进行自由连接和组合，所述负载箱选用的是IT8500系列单输入可编程直流负载，能够实现对DC/DC电源模块实现电流负载、功率负载以及电阻负载三种负载加载方式，并配备有RS232通讯接口；所述程控电源主要是给被测电源模块实现供电和显示电源电流值，所述信号采集处理集成系统通过所述自适应信号采集端接线盒自动采集所述被测试电源模块的输出具有电压值大小的双路或三路电压信号，同时将采集的信号进行分类管理，按照一定的标准将电压信号传递给所述采集卡，由所述采集卡将信号传递给所述嵌入式控制器进行处理，得到所述被测试电源模块的电压信号，实现对不同所述被测试电源模块的输出电压信号的自动识别与分类管理和处理的功能，所述自适应信号采集接线盒具有控制端、第一接线端子、第二接线端子、调理电路选择控制电路、单路输出调理电路、双路正电压输出调理电路、双路负电压输出调理电路，根据所述控制端接收来自采集设备的I/O控制信号，所述调理电路选择控制电路从所述单路输出调理电路、双路正电压输出调理电路、双路负电压输出调理电路中选择调理电路，所述调理电路输出的电压范围不超过±10V，从而实现电压的自适应，所述第一接线端子接收来自测量端的信号，所述第二接线端子向采集设备的采集卡输出调理后的信号，所述第一、二接线端子通过所述单路输出调理电路、双路正电压输出调理电路、双路负电压输出调理电路对应连接实现对应数据的传输，所述嵌入式控制器的配置为Intel P8500处理器、2G内存、IntelPM45中央处理器、2个100M/1000M的网卡、8个USB接口、至少一个PCI扩展槽，所述采集卡包括PROM、模拟信号可变增益调理模块、多通道ADC、缓存、FPGA、PCI桥、PCI总线、电源区，所述采集卡用于采集所述测量端的信号，采样率为4MSa/s，分辨率为12bit/14bit，板载大容量SDRAM数据缓存，支持在线配置FPGA，提供标准的WDM驱动，提供API，具有后触发能力，所述模拟信号可变增益调理模块包括信号调理电路、电平转换电路、可变增益电路，所述FPGA包括ADC控制模块、增益控制模块、数据缓冲模块、数据复接模块以及总线控制模块；所述ADC控制模块在一定参数的设定下，控制ADC电路的工作模式和采样速率，并实现数据采集；所述增益控制模块动态改变可变增益放大器(PGA)的放大倍数，从而适应不同输入电压范围；所述数据复接模块实现多通道同步采样的数据的高速复接，并送往数据缓冲模块进行缓冲；所述数据缓冲模块利用板载的大容量SDRAM实现数据缓冲；所述总线控制模块实现了PCI Local Bus的总线仲裁，从而完成驱动对硬件的读写操作，功能还包括I/O读写操作、DMA读写操作，所述计算机控制与显示能够实现0V~50V的1路、2路或3路输出电压的实时检测与显示，实现对DC/DC单粒子功能失效、单粒子瞬态效应的检测，其中单粒子瞬态效应检测的指标达到1mV，宽度精度达到5个ms的检测能力。