宇航用某新型膜式熔斷器應(yīng)用驗(yàn)證方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁麗娜,孫 明,張洪偉,劉 輝,彭昌文

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院宇航物資保障事業(yè)部,北京100029;2.中國(guó)振華集團(tuán)云科電子有限公司,貴州貴陽(yáng)550018)

宇航用元器件是航天系統(tǒng)極其重要的組成部分,元器件的可靠性直接影響著航天系統(tǒng)甚至整個(gè)航天工程的成敗。熔斷器作為一種電路保護(hù)關(guān)鍵元件,廣泛應(yīng)用在航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,可用于短路和過載的保護(hù)設(shè)備[1-2],如接收機(jī)、電源電路和PCU等關(guān)鍵單機(jī)系統(tǒng)中,一般工作在長(zhǎng)期連續(xù)工作模式下,對(duì)電路系統(tǒng)可靠性起著極其重要的作用。熔斷器的失效可能導(dǎo)致整個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)的失效,可能會(huì)造成系統(tǒng)工程巨大的風(fēng)險(xiǎn)與損失,這些都對(duì)熔斷器的應(yīng)用可靠性提出了更高的要求。新型膜式熔斷器(以下簡(jiǎn)稱 “熔斷器”)是某型號(hào)急需選用,擬功能替代國(guó)外某型宇航用高可靠熔斷器,其價(jià)格昂貴、技術(shù)受限又面臨巨大禁運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。由于國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)工業(yè)存在差異,新型熔斷器在熔斷機(jī)構(gòu)和滅弧材料等方面進(jìn)行了極大的工藝調(diào)整,對(duì)新型熔斷器的應(yīng)用驗(yàn)證評(píng)價(jià)也顯得尤為重要。

宇航元器件應(yīng)用驗(yàn)證(以下簡(jiǎn)稱 “應(yīng)用驗(yàn)證”)是指對(duì)元器件在宇航工程應(yīng)用前開展一系列的試驗(yàn)、分析、評(píng)估和綜合評(píng)價(jià)等工作,以確定元器件研制成熟度和在宇航工程應(yīng)用適用度,并綜合分析評(píng)價(jià)得出可用度[3]。為確定熔斷器的功能性能及應(yīng)用特性在宇航工程應(yīng)用中的適用性及可靠性,熔斷器在宇航工程應(yīng)用前需針對(duì)產(chǎn)品功能、性能及應(yīng)用特點(diǎn)分析設(shè)計(jì)一系列的方法、試驗(yàn)、分析、評(píng)估和綜合評(píng)價(jià)等活動(dòng),綜合應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)果給出熔斷器宇航可用度結(jié)論,評(píng)價(jià)結(jié)果可有效指導(dǎo)宇航工程應(yīng)用。

1 熔斷機(jī)理及可靠性分析

熔斷器的結(jié)構(gòu)與材料決定其存在一定的電阻特性,由電能轉(zhuǎn)化的熱能可使熔斷器整體的溫度上升。當(dāng)正常工作電流或允許的過載電流流過時(shí),產(chǎn)生的熱量通過熔斷機(jī)構(gòu)、端頭、殼體表面向周圍環(huán)境輻射,通過對(duì)流、傳導(dǎo)等方式散發(fā)的熱量與產(chǎn)生的熱量逐漸達(dá)到平衡。如果產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)的熱量,多余的熱量就逐漸積聚在熔斷體上,使熔斷體溫度上升,當(dāng)溫度達(dá)到或超過熔斷體的熔點(diǎn)時(shí),就使得熔斷體融化,熔斷而切斷電流,起到安全保護(hù)電路的作用。

熔斷器產(chǎn)生的熱量會(huì)遵循上述Q=I2Rt公式,制作熔體的材料及設(shè)計(jì)構(gòu)造直接決定了電阻R值(若不考慮它的電阻溫度系數(shù))。當(dāng)電流流過時(shí)會(huì)發(fā)熱,隨著時(shí)間的增加其發(fā)熱量也在增加。電流與電阻的大小確定了產(chǎn)生熱量的速度,熔體的構(gòu)造與其安裝的狀況確定了熱量耗散的速度。熔斷器的能量平衡關(guān)系可用簡(jiǎn)化公式(1)來表達(dá):

式中:m為熔斷器的質(zhì)量;Cp為比熱或熱容系數(shù);T為溫度;t為時(shí)間;為升溫速率,I2R為電轉(zhuǎn)化為熱能的速率。這只是一個(gè)簡(jiǎn)化的式子,因?yàn)槿蹟嗥鞑⒎怯蓡我坏牟牧辖M成,而且材料的物性亦是溫度的函數(shù)。根據(jù)負(fù)載電流的大小分成三種情況考慮[4]。

1.1 正?；蚍€(wěn)定的狀態(tài)

當(dāng)電流低于使熔斷器達(dá)到熔斷溫度所需的電流時(shí),可承受適度的溫度上升,此時(shí)必然有一個(gè)溫度點(diǎn)使電熱速度等于散熱速度,即達(dá)到熱平衡,這個(gè)溫度點(diǎn)就是熔斷器在該電流下的溫升,熔斷器表面溫升越小,熔斷器工作壽命越長(zhǎng)。

1.2 適度的過載

當(dāng)電流高于熔斷器熔斷所需的值時(shí),熔斷器開始發(fā)熱,溫度試圖上升到能量平衡公式的值,但電熱速度大于散熱速度,熔斷器先熔斷,而后電流中止,在0.1 s到4 h或更長(zhǎng)時(shí)間后,熔斷器中止過流,這是對(duì)過載的正常響應(yīng)。一般用戶正常應(yīng)用在這個(gè)范圍內(nèi)。在這個(gè)范圍內(nèi)著重關(guān)注的是熔斷的一致性和穩(wěn)定性。

1.3 高過載

當(dāng)電流大大高于熔斷器額定電流值時(shí),熔斷器很快達(dá)到熔點(diǎn),以至于沒時(shí)間通過傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射來散熱,在這種情況下,消耗的電功率等于熔斷器融化所需要的能量(融化熱能值),這一系統(tǒng)被稱為絕熱系統(tǒng)(沒有熱損失)。該狀態(tài)主要針對(duì)電路中有瞬間脈沖浪涌時(shí),用戶在選擇熔斷器時(shí),應(yīng)注意電路中最大脈沖浪涌能量應(yīng)低于熔斷器熔斷所需能量,保證在對(duì)特大的短路電流時(shí)電路不會(huì)發(fā)生 “無(wú)故開路”的情況。一般在這種狀態(tài)下確定融化熱能值,從而選擇適合的產(chǎn)品。

宇航小型膜式熔斷器主要固有失效模式為 “該斷時(shí)不斷”、“不該斷時(shí)斷開”、“無(wú)故開路”,這主要與熔斷體膜層質(zhì)量、熔斷器冷態(tài)阻值控制、內(nèi)部焊接質(zhì)量以及引出端鍍層處理質(zhì)量有關(guān)。結(jié)合上述熔斷特性分析及熔斷器固有失效模式,在宇航工程應(yīng)用前,需開展針對(duì)熔斷器的快速熔斷特性、抗瞬態(tài)浪涌特性、熔斷體耐久性及并聯(lián)應(yīng)用特性等特性進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證分析及評(píng)價(jià)。

2 快速熔斷特性驗(yàn)證方法

當(dāng)熔斷器在適度過載的狀態(tài)下,要求熔斷機(jī)制在要求的熔斷時(shí)間內(nèi)熔斷。避免發(fā)生 “該斷時(shí)不斷”的失效模式。熔斷器作為保護(hù)類元件,熔斷過程如圖1所示,熔斷器的動(dòng)作時(shí)間為預(yù)飛弧時(shí)間和飛弧時(shí)間之和,在飛弧過程中如果出現(xiàn)連續(xù)拉弧,那么其熔斷時(shí)間一致性會(huì)受到影響,另外由于連續(xù)拉弧,在單位面積上產(chǎn)品所受到的沖擊能量大大提高,可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品斷開、飛濺等不安全因素出現(xiàn),從而導(dǎo)致設(shè)備事故,評(píng)估抑制飛弧能力的穩(wěn)定性與一致性是衡量熔斷器是否可靠工作的重要標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 熔斷過程示意圖Fig.1 The fuse breaking process

應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)是在原有鑒定及周期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合產(chǎn)品特性及用戶實(shí)際應(yīng)用需要,在多種額定倍數(shù)(2.2In、 2.5In、 4In、 6In、 8In、 10In)下的熔斷時(shí)間及最大分段電流值的測(cè)試,熔斷時(shí)間及最大分段電流值取多組樣品抽樣的極端值,以代表最不理想的特性分布,依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制常溫下熔斷特性曲線(I-t、I-I2t及t-I2t曲線)。熔斷時(shí)間隨電流的變化曲線,最大分段電流隨時(shí)間和溫度的變化曲線,可以保證電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)者明確熔斷器的退化或熔斷器失效時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大電流,及在不同輸入電流和不同溫度應(yīng)力條件下,熔斷器可承受的電路中的最大分段電流的不同承受能力。

以宇航用某型國(guó)產(chǎn)熔斷器為試驗(yàn)樣本,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以獲得電流-時(shí)間曲線即I-t特性曲線如圖2所示,融化熱能值-時(shí)間曲線即I2t-t特性曲線如圖3所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可作為航天型號(hào)用戶在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用時(shí)的指導(dǎo)。

圖2 I-t特性曲線圖Fig.2 Change curves of I-t

圖3 I2t-t曲線圖Fig.3 Change curves of I2t-t

3 抗瞬態(tài)浪涌特性驗(yàn)證方法

一般在實(shí)際電子線路中,熔斷器會(huì)遇到 “沖擊電流”、 “起動(dòng)/開關(guān)電流”、 “浪涌電流”、 “瞬變值”等脈沖電流的沖擊,即是熔斷器高過載狀態(tài)。電脈沖產(chǎn)生的熱量會(huì)影響熔斷器熔斷體的材料特性疲勞,故會(huì)直接影響熔斷體的壽命。針對(duì)應(yīng)用可靠性需求,要求熔斷器的溫升在高過載狀態(tài)下不能過大導(dǎo)致 “不該熔斷時(shí)熔斷”。發(fā)生熔斷器 “無(wú)故開路”失效模式,主要是由于用戶未能提前了解到熔斷器的耐脈沖特性能力,未在電路設(shè)計(jì)考慮相應(yīng)能量余量造成的,因此造成熔斷器 “無(wú)故開路”。針對(duì)熔斷器實(shí)際使用過程中會(huì)因電路中的脈沖沖擊導(dǎo)致熔斷器的性能參數(shù)退化或失效,通過設(shè)計(jì)應(yīng)用驗(yàn)證方法,進(jìn)一步評(píng)價(jià)熔斷器在應(yīng)用時(shí)最嚴(yán)酷電脈沖條件下熔斷器抗脈沖電流的能力。

抗脈沖電流沖擊驗(yàn)證時(shí),在室溫下用方波脈沖對(duì)樣品進(jìn)行脈沖電流沖擊。脈沖電流的選取應(yīng)結(jié)合宇航工程應(yīng)用實(shí)際情況及熔斷器最大電流分段能力I2t,脈沖峰值電流為200%額定電流,脈沖寬度為200 ms,周期為10 s,步進(jìn)次數(shù)為5000次,試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)熔斷器冷態(tài)電阻變化率。在步進(jìn)條件為截止條件時(shí)或50%熔斷器樣品電阻變化率超過10%時(shí)試驗(yàn)截止,通過該方法可有效評(píng)價(jià)熔斷器耐脈沖電流沖擊的能力。宇航用國(guó)產(chǎn)某型額定電流為1 A和5 A熔斷器樣本抗瞬態(tài)浪涌極限能力見圖4所示。

圖4 抗瞬態(tài)浪涌極限能力Fig.4 Tolerance limit capacity of instantaneous pulse

4 熔斷體耐久性驗(yàn)證方法

應(yīng)用時(shí)熔斷器最常表現(xiàn)為正?；蚍€(wěn)定的狀態(tài)。熔斷器的熔體對(duì)溫度較為敏感,在一定高溫長(zhǎng)時(shí)間的作用下,它的熔點(diǎn)及阻抗將發(fā)生變化,這種變化會(huì)影響熔斷器的準(zhǔn)確性。這就是通常說的熔斷器老化。老化的熔斷器可靠性將大大降低,所以在使用前應(yīng)對(duì)熔斷器溫升特性進(jìn)行驗(yàn)證分析及可靠性評(píng)價(jià)。

依據(jù)熔斷器特性及應(yīng)用情況分析,設(shè)計(jì)測(cè)試電路圖并開發(fā)熔斷體功能測(cè)試板。驗(yàn)證系統(tǒng)框圖見圖5所示,熔斷器耐久性驗(yàn)證裝置見圖6所示。在熱循環(huán)的環(huán)境條件下進(jìn)行熔斷器耐久性驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)要求環(huán)境溫度為板級(jí)溫度循環(huán)試驗(yàn)條件-35℃～+70℃,累計(jì)熱循環(huán)25.5次,每個(gè)溫度段停留4 h,同時(shí)對(duì)熔斷器通以100%額定電流1 h,后切斷電流15 min,循環(huán)重復(fù)100周期的沖擊試驗(yàn)。檢測(cè)熱循環(huán)試驗(yàn)中在高低溫段測(cè)量熔斷器的U(電壓降),要求U不應(yīng)大于原始U0的10%,并對(duì)試驗(yàn)前后熔斷器的熔斷特性進(jìn)行比對(duì)分析[5]。某型熔斷器熔斷體耐久性驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖5 驗(yàn)證系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of verification system

圖6 熔斷器耐久性驗(yàn)證裝置Fig.6 Verification device fordurability of the fuse

5 并聯(lián)應(yīng)用特性驗(yàn)證方法

熔斷器在應(yīng)用時(shí)常需要2～4只并聯(lián)的應(yīng)用方式以解決電源電路的大電流保護(hù)的問題。在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)需要每個(gè)獨(dú)立熔斷分支具有相近的熔斷特性,熔斷特性的差異主要來源于熔斷器冷態(tài)電阻的差異,熔斷器的冷態(tài)阻值主要表現(xiàn)在熔斷體上,熔體的形成需要進(jìn)行印刷才能形成,為驗(yàn)證印刷后阻值的均勻性和熔斷時(shí)間一致性是否滿足航天型號(hào)并聯(lián)應(yīng)用的需求,設(shè)計(jì)了熔斷器并聯(lián)應(yīng)用特性的驗(yàn)證方法。

表1 熔斷器耐久性驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Verification date fordurability of the fuse

基于SCHURTER公司熔斷器板級(jí)并聯(lián)布局情況,結(jié)合航天型號(hào)并聯(lián)應(yīng)用需求,以單個(gè)SCHURTER公司熔斷器布局關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試為依據(jù),調(diào)整國(guó)產(chǎn)熔斷器在航天型號(hào)應(yīng)用中的板級(jí)布局,達(dá)到與SCHURTER公司熔斷器并聯(lián)使用相同的使用效果,指導(dǎo)用戶使用。典型的 SCHURTER公司PCB版圖設(shè)計(jì)見圖7。

并聯(lián)應(yīng)用驗(yàn)證分兩部分:

1)驗(yàn)證熔斷器并聯(lián)擴(kuò)容時(shí),選取匹配的熔斷器最高和最低電阻值相差控制在±1%之內(nèi)的可行性。選取個(gè)體匹配的熔斷器,要求匹配的熔斷器在同一批次產(chǎn)品中選取(相同的額定電壓和相同的額定電流);選取匹配的熔斷器的最高和最低電阻值相差控制在±1%之內(nèi),此電阻值是老煉后測(cè)得的值。將匹配的熔斷器焊接在四聯(lián)裝板上,單個(gè)熔斷器焊接在單個(gè)焊裝板上。分別通250%,400%及600%的額定電流值做過載熔斷試驗(yàn),記錄熔斷時(shí)間,并和單個(gè)熔斷器的熔斷時(shí)間作比較。四聯(lián)裝與單個(gè)熔斷器(極限熔斷值)I-t曲線比較圖見圖8。

圖7 并聯(lián)設(shè)計(jì)版圖Fig.7 Layout of parallel design

圖8 I-t曲線比較Fig.8 Comparison of change curves of I-t

2)驗(yàn)證熔斷器并聯(lián)時(shí)是否適合采用SCHURTER公司熔斷器的并聯(lián)版圖設(shè)計(jì)方案。選取最高和最低電阻值相差控制在±1%內(nèi)的樣品,焊接在圖7所示四聯(lián)裝PCB板上。在常壓和真空(低于6.65×10-3Pa)下分別通50%,60%,70%,80%,90%及100%額定電流值電流,記錄如圖9～12所示的測(cè)試板正面及反面位置的國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口熔斷器溫升比對(duì)。

圖9 常壓環(huán)境正面溫升對(duì)比Fig.9 Temperature rise comparison under constant pressure on the front of test board

圖10 常壓環(huán)境反面溫升對(duì)比Fig.10 Temperature rise comparison under constant pressure on the back of test board

圖11 真空環(huán)境熔斷器正面溫升對(duì)比Fig.11 Temperature rise comparison under vacuum condition on the front of test board

圖12 真空環(huán)境熔斷器反面溫升對(duì)比Fig.12 Temperature rise comparison under vacuum condition on the back of test board

通過并聯(lián)應(yīng)用特性驗(yàn)證方法,可對(duì)熔斷器冷態(tài)電阻等關(guān)鍵參數(shù)的一致性情況進(jìn)行評(píng)價(jià),最高和最低值相差控制在±1%時(shí),可采用SCHURTER公司熔斷器板級(jí)并聯(lián)布局,可滿足在航天型號(hào)中實(shí)現(xiàn)并聯(lián)應(yīng)用的需求。

6 結(jié)論

通過應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù),可對(duì)宇航用新型膜式熔斷器研制成熟度和應(yīng)用適用度進(jìn)行評(píng)價(jià),并綜合分析評(píng)價(jià)結(jié)果,得出熔斷器宇航可用度。應(yīng)用驗(yàn)證方法結(jié)合熔斷器特性和宇航工程應(yīng)用需求,通過驗(yàn)證試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析最終評(píng)價(jià)了其在宇航工程應(yīng)用中的適用性及可靠性,該驗(yàn)證方法已廣泛應(yīng)用于航天元器件質(zhì)量保證工作中,已作為指導(dǎo)航天工程重大型號(hào)選型及應(yīng)用的重要參考依據(jù)。后續(xù)大量的工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可作為該方法有效性及普適性的支撐與反饋。