某型無線電高度表電源模塊失效分析

高峰 饒盛 關(guān)震

摘要：針對無線電高度表直流電源轉(zhuǎn)換模塊生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，通過電性能參數(shù)檢查、整體氣密性檢查以及器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查，具體分析了電源模塊的失效原因，并提出了防護(hù)措施，為后期電源模塊的設(shè)計改進(jìn)提出要求并制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：電源模塊;氣密性檢查;電容失效;預(yù)防措施

0引言

無線電高度表直流電源轉(zhuǎn)換模塊作為部件主要供電器件，具有結(jié)構(gòu)相對簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)，但是一旦在電源模塊生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，將影響無線電高度表的正常使用。

某型航空裝備在掛機(jī)飛行過程中空中自檢發(fā)現(xiàn)故障，將該型裝備帶回地面進(jìn)行檢查，測試發(fā)現(xiàn)是該裝備的無線電高度表電源故障。為了深入查找無線電高度表電源故障原因，對電源模塊的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)原理、電性能進(jìn)行測試，綜合考慮產(chǎn)品貯存環(huán)境的變化，對電源模塊內(nèi)部器件的失效機(jī)理進(jìn)行深入分析。按照國軍標(biāo)的要求，對電源模塊的氣密性、元器件性能進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電源模塊在生產(chǎn)過程中存在密封材料、密封性能及電容抗脈沖能力差等缺陷。

1故障分析過程及定位結(jié)果

查詢以往的無線電高度表故障情況，發(fā)現(xiàn)2014～2016年出現(xiàn)了多次無線電高度表電源測試參數(shù)異常情況，具體表現(xiàn)為+27V電源消耗異常，進(jìn)一步分解檢查，確定故障原因?yàn)闊o線電高度表電源模塊失效。為此，對電源模塊及其外圍電路進(jìn)行分析。

1.1功能原理分析

1）電源模塊原理分析

a.封裝形式

電源模塊整體采用金屬封裝方式，將轉(zhuǎn)換電路整體放入密閉的金屬殼內(nèi)，并灌入硅膠密封，最后整體焊接在電路板上。

b.內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

電源模塊采用開關(guān)電路方式，在模塊內(nèi)部形成LLC諧振電路，產(chǎn)生高頻脈沖信號，通過MOS開關(guān)管將輸入的直流+28.5V電壓轉(zhuǎn)換為快速脈沖信號，經(jīng)過高頻變壓器降壓、整流、濾波后輸出+5V和±15V電源電壓，其原理如圖1所示。

2）電源模塊外圍電路分析

無線電高度電源板為單板式結(jié)構(gòu)，其主要功能是將輸入的直流+28V、±2.8V電壓轉(zhuǎn)換輸出為+5V、±1 5V電壓，為其他電路板提供電源，其原理如圖2所示。

電源板由整流濾波電路、電源模塊、輸出三個部分組成。

電源模塊前級和后級的濾波電路由鉭電容c1、C2、c3、C4、C13、C14、互感線圈L1、電感L2、整流二極管Vdl和抗飽和穩(wěn)壓管Vd2組成，主要功能是濾除輸入的+28V電源中的各種紋波電壓，同時降低瞬間浪涌電壓對電源模塊的影響。

電壓轉(zhuǎn)換器件是兩種不同型號的電源模塊，兩個模塊分別獨(dú)立輸出+5V和±15V電源，+5V電源輸出的最大電流為2000mA，±15V電源輸出的最大電流為500mA。

輸出電路由濾波器和電容構(gòu)成，其中濾波器是帶鐵芯的電感線圈，可以濾除頻率較高的紋波及尖峰脈沖，電容可以濾除頻率較低的紋波，使輸出的電源更加平穩(wěn)。

1.2電源模塊故障定位

根據(jù)上述原理，用FLUKE45數(shù)字萬用表歐姆檔對電源模塊的輸入、輸出端電阻進(jìn)行測量，測量結(jié)果為輸入電阻趨近于0，輸出電阻趨近于無窮大，因此初步判斷電源模塊失效。

出現(xiàn)故障的電源模塊生產(chǎn)年份較早，并經(jīng)歷非密封環(huán)境長期貯存，受外部水汽影響概率較大;同時考慮到電源模塊采用環(huán)氧樹脂固定的形式封裝，其內(nèi)部采用大量的分立元件實(shí)現(xiàn)AC-DC電源轉(zhuǎn)換功能，因內(nèi)部器件失效而引起電源故障的概率較大。因此，隨機(jī)選出4件電源模塊進(jìn)行失效分析，以確定電源模塊失效的原因。

2分析過程

為了深入查找電源模塊失效原因，對型號為JZF28D15/500D、JZF28S5/2000D共計4個電源模塊（批次為0501、0502）進(jìn)行器件失效分析，發(fā)現(xiàn)4個電源模塊存在以下問題。

進(jìn)行測試的4個電源模塊在引腳密封處均有氣泡冒出，氣密性檢查不合格。檢查結(jié)果及檢查外觀圖如表1、圖3所示。

生產(chǎn)編號為0502007的電源模塊在進(jìn)行通電測試時輸出電壓合格。在進(jìn)行開封后外觀檢查時發(fā)現(xiàn)有電容脫落，經(jīng)立體顯微鏡檢查，該鉭電容的有效焊接面積很少。同時，在檢查該模塊正面電路時發(fā)現(xiàn)該脫落電容與另外相同功能、相同位置的鉭電容極性相反，說明該模塊存在質(zhì)量問題。對該電容進(jìn)行測試時漏電流性能超標(biāo)。模塊背面存在擊穿燒毀的鉭電容。其性能測試參數(shù)結(jié)果及失效外觀如表2、圖4、圖5所示。

批次號為0502006的電源模塊內(nèi)部3只鉭電容嚴(yán)重?zé)龤В鹣律形闯霈F(xiàn)問題的電容進(jìn)行測試，結(jié)果為漏電流不合格，視為失效，如圖6所示。

批次號為0501077的電源模塊開封后目檢發(fā)現(xiàn)其正面電路存在虛焊，模塊正面電路上的四個濾波電容均存在虛焊，已開路。對其濾波電容的電容量、損耗角正切、漏電流測試，均合格。

除已失效的電容外，對3個電源模塊內(nèi)其他器件進(jìn)行測試，性能合格。批次號為0502006的電源模塊因電容失效、電路板損壞嚴(yán)重，未進(jìn)行通電測試。

3失效原理分析

基于上述分析可知，電源模塊內(nèi)電解電容器在工作應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力的作用下，隨著貯存時間的延長發(fā)生了性能失效。例如，溫度應(yīng)力既可以促使表面氧化、電場強(qiáng)度下降、加速介質(zhì)擊穿，還在潮濕環(huán)境下加快了電容的老化程度，加速了電參數(shù)的退化。因此，電容器的失效機(jī)理與產(chǎn)品類型、材料種類、機(jī)構(gòu)差異、制造工藝及環(huán)境條件、工作應(yīng)力等諸因素有密切關(guān)系。

從內(nèi)部失效機(jī)理進(jìn)行分析，主要考慮鉭電容制備過程中物理特性所導(dǎo)致的缺陷。鉭電容雖然具備體積小、壽命長及容量誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但由于其抗脈沖能力較差及耐電壓、電流能力較弱等缺陷，導(dǎo)致在電源行業(yè)出現(xiàn)多次鉭電容失效、燒毀甚至爆炸等故障事件，批次號為0502006的電源模塊就因鉭電容漏電流超標(biāo)、失效導(dǎo)致電源模塊失效，輸出端短路。因此，設(shè)計單位已針對再修產(chǎn)品中的鉭電容進(jìn)行了替換處理，避免故障隱患的發(fā)生。

從外部失效機(jī)理進(jìn)行分析，主要從環(huán)境因素及人為因素方面考慮失效原因。元器件是有使用壽命的，基本理論上的使用壽命比實(shí)際使用壽命時間長，理論上的參數(shù)都是在理想環(huán)境下的損耗時長。在實(shí)際使用中，影響使用壽命的環(huán)境因素有很多，如灰塵、雜志、溫度、濕度等。電源模塊在貯存環(huán)境狀態(tài)良好的情況下，有其能夠保持長期有效性的環(huán)境適應(yīng)范圍。在電源板上，由于生產(chǎn)工藝中僅使用具有絕緣要求的硅膠進(jìn)行固定，無密封性要求，因此在長期貯存的情況下，可能由于外部水汽的侵入、電源模塊的密封性失效引起整體電路的性能下降，器件的參數(shù)會發(fā)生變化甚至失去原有的功能。因此，需要從氣密性工藝，元器件防護(hù)工藝（刷涂、噴漆、浸涂、淋灌等）及產(chǎn)品貯存環(huán)境因素等方面綜合對元器件的外部失效原因進(jìn)行分析。

4結(jié)論

根據(jù)上述分析，綜合這兩型模塊的失效部位、失效模式以及良品鉭電容漏電流測試機(jī)耐壓試驗(yàn)情況，得出導(dǎo)致模塊失效的主要原因。

模塊中MOs管在關(guān)閉時，初級、次級線圈的脈沖電壓過高，輸出回路中未有尖峰抑制器（飽和電感），導(dǎo)致其濾波電容擊穿;由于無線電高度表為非密封部件，內(nèi)部無充氮保護(hù)，在貯存環(huán)境條件不良的情況下，產(chǎn)品經(jīng)過長時間貯存且通電時間較短，外部水汽易進(jìn)入至電源模塊內(nèi)部，影響模塊內(nèi)器件性能。

5預(yù)防措施

由于出現(xiàn)故障的電源模塊具有批次性問題特征，且安裝在無線電高度表內(nèi)部存放時間較長，綜合電源模塊失效分析結(jié)論，提出如下預(yù)防措施。

制造設(shè)計廠家根據(jù)此次檢查問題改進(jìn)氣密性設(shè)計生產(chǎn)工藝，選用效果較好的密封材料，并應(yīng)選換抗脈沖能力強(qiáng)的電容元器件，避免由于脈沖電壓過高導(dǎo)致濾波電容擊穿進(jìn)而導(dǎo)致電源模塊失效的情況。

無線電高度表生產(chǎn)單位生產(chǎn)工藝中在添加電路板防護(hù)的基礎(chǔ)上，涂覆適當(dāng)?shù)娜榔嵋员苊怆娐钒逭婧更c(diǎn)氧化;在模塊安裝部位涂覆密封膠，對模塊進(jìn)行密封，降低水汽對模塊的影響;增強(qiáng)生產(chǎn)過程中的檢驗(yàn)力度，防止出現(xiàn)元器件虛焊、極性反接等質(zhì)量問題。產(chǎn)品使用單位應(yīng)加強(qiáng)對產(chǎn)品貯存環(huán)境的把控，嚴(yán)格控制貯存環(huán)境的溫濕度，避免由于環(huán)境原因?qū)е碌碾娙萋╇娦阅芰踊?，并對產(chǎn)品定期進(jìn)行通電檢查，保持電源模塊鉭電容的耐壓性，降低元器件失效問題發(fā)生的概率。