浪涌抑制器瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試后失效原因分析?

袁 文 張文輝

（貴州航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 貴陽 550009）

1 引言

隨著機(jī)載電子設(shè)備的日益增多和功能日趨完善，機(jī)載電子設(shè)備的抗浪涌保護(hù)顯得尤為重要。在飛機(jī)供電系統(tǒng)中或其他系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載突變或繼電器、接觸器觸點(diǎn)的接通和斷開時(shí)會(huì)引起電壓瞬變，出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長的電壓浪涌，可能造成其他設(shè)備不能正常工作甚至損壞。因此浪涌抑制器越來越多的應(yīng)用到了各種電子設(shè)備中。浪涌抑制器是一種為各種電子設(shè)備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護(hù)的電子裝置［1］。當(dāng)電氣回路或者通信線路中因?yàn)橥饨绲母蓴_突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時(shí)（本文所指浪涌抑制器均為浪涌電壓抑制器），浪涌保護(hù)器能在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通分流，從而避免浪涌對(duì)回路中其他設(shè)備的損害［2］。

2 失效概述

某公司生產(chǎn)的浪涌抑制器（共2只編號(hào)：217#、218#）在進(jìn)行電路壓降和輸出電流兩個(gè)參數(shù)測(cè)試后，利用試驗(yàn)設(shè)備（ZJ-3A型浪涌信號(hào)發(fā)生器和8282-1型尖峰信號(hào)發(fā)生器）對(duì)另兩個(gè)參數(shù)（過壓浪涌發(fā)生時(shí)輸出電壓和瞬態(tài)尖峰電壓）進(jìn)行測(cè)試［12］。在完成過壓浪涌發(fā)生時(shí)輸出電壓的測(cè)試后，兩只器件功能正常；在進(jìn)行瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試后，兩只器件無輸出，器件功能失效。針對(duì)該問題，進(jìn)行失效原因分析。

3 故障定位

3.1 故障查找與定位

發(fā)現(xiàn)器件失效后，通過生產(chǎn)廠了解到該器件采用的是厚膜混合集成電路工藝，裸芯片組裝，全密封金屬外殼［3，8］。其工作原理如圖1所示。

利用X光機(jī)對(duì)失效器件進(jìn)行了X射線照相檢查，發(fā)現(xiàn)兩只器件輸入端鍵合金絲熔斷，分別如圖2、圖3所示。

圖1 器件工作原理圖

圖2 218#器件局部X光圖

圖3 217#器件局部X光圖

對(duì)器件進(jìn)行開帽后檢查發(fā)現(xiàn)兩只器件內(nèi)部輸入端（輸入端原理圖如圖4）的穩(wěn)壓管D1（型號(hào)1N4742）和三極管Q1（型號(hào)FZT653）的鍵合金絲都已經(jīng)熔斷（圖5、圖6），基本確定是由于電流過大所致［11］。同時(shí)發(fā)現(xiàn)218#器件主控芯片有燒毀痕跡（圖7）。

圖4 輸入端原理圖

就失效現(xiàn)象和測(cè)試方法進(jìn)行研究分析，確定是在進(jìn)行瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)通過器件的電流過大導(dǎo)致了器件失效。因此將問題定位于瞬態(tài)尖峰電壓的測(cè)試過程［4］。

圖5 217#器件輸入端穩(wěn)壓管、三極管

圖6 218#輸入端穩(wěn)壓管、三極管

圖7 218#器件主控芯片

3.2 建立故障樹

根據(jù)浪涌抑制器失效的問題展開分析，并建立故障樹，見圖8。該故障樹由頂事件E1、一個(gè)中間事件E2以及5個(gè)底事件X1、X2、X3、X4、X5組成［9，15］。

圖8 浪涌抑制器測(cè)試失效故障樹

3.3 故障樹分析

3.3.1 測(cè)試人員操作失誤（X1事件）

經(jīng)檢查測(cè)試時(shí)的接線方式按驗(yàn)證時(shí)的接線連接，設(shè)備操作按設(shè)備使用說明書的要求操作，確認(rèn)在瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)測(cè)試人員不存在操作失誤，因此可以排除X1事件。

3.3.2 測(cè)試設(shè)備異常（X2事件）

經(jīng)檢查所用的測(cè)試設(shè)備8282-1型尖峰信號(hào)發(fā)生器在計(jì)量有效期內(nèi)使用，且在器件失效后對(duì)設(shè)備進(jìn)行了重新校準(zhǔn)驗(yàn)證，確認(rèn)設(shè)備在測(cè)試時(shí)無異常，因此可以排除X2事件。

3.3.3 器件自身質(zhì)量問題（X3事件）

通過開帽照相分析檢查，發(fā)現(xiàn)器件輸入端鍵合盡絲熔斷，確認(rèn)是由于輸入端通過的電流過大造成。同時(shí)檢查器件的篩選和出廠檢測(cè)報(bào)告，結(jié)果均合格?？梢耘懦骷旧碣|(zhì)量問題，因此可以排除X3事件［6］。

3.3.4 未帶載測(cè)試（X4事件）

圖9 實(shí)際瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試連接圖

由于在瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)，實(shí)際測(cè)試線路（圖9）中未按器件技術(shù)協(xié)議中提供的瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試連接圖中（圖10）要求的在器件輸出端連接電子負(fù)載測(cè)試。經(jīng)用生產(chǎn)廠提供的樣片進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，證實(shí)了未帶載測(cè)試只會(huì)對(duì)輸出幅度造成影響（空載輸出值28V，帶載2A輸出值27.5V），不會(huì)造成大電流使器件內(nèi)部鍵合金絲熔斷，因此可以排除X1事件。

圖10 技術(shù)協(xié)議要求瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試連接圖

3.3.5 施加尖峰電壓過高（X5事件）

由于我所使用的尖峰信號(hào)發(fā)生器是在5Ω阻抗匹配條件進(jìn)行的輸出校準(zhǔn)，其等效電路如圖11所示，圖中UO為尖峰信號(hào)發(fā)生器的輸出指示值。在進(jìn)行瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)，測(cè)試人員理解試驗(yàn)條件尖峰電壓是設(shè)備輸出指示值為600V，生產(chǎn)廠是在輸出開路條件下用示波器（1MΩ阻抗）監(jiān)測(cè)圖10中A、B端為600V尖峰電壓作為試驗(yàn)條件［5］，后經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，在開路狀態(tài)下，當(dāng)尖峰信號(hào)發(fā)生器（8282-1）設(shè)置輸出尖峰電壓指示值為600V時(shí)，用示波器（內(nèi)部阻抗1MΩ）在源阻抗變換器（2201-2）輸出端（圖10中A、B端）測(cè)得的實(shí)際開路尖峰電壓為1200V［4］。

圖11 尖峰信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)等效電路

3.4 分析結(jié)果

通過以上故障樹中各個(gè)事件的詳細(xì)描述可以得出結(jié)論，浪涌抑制器瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試后失效是因?yàn)樵谒矐B(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)施加的尖峰電壓過高導(dǎo)致器件輸入端通過的電流過大以致器件失效。

4 原因及機(jī)理分析

在圖11中，當(dāng)調(diào)節(jié)尖峰信號(hào)發(fā)生器指示值Uo為600V時(shí)，由歐姆定律可以計(jì)算出內(nèi)部阻抗Z0的電壓為Uz0=（600V/5Ω）×5Ω=600V，此時(shí)尖峰信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部源 U0輸出的電壓為600V+600V=1200V［11］。因此在進(jìn)行瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)，源阻抗變換器2201-2的作用是把尖峰信號(hào)發(fā)生器的內(nèi)部阻抗通過其變換成50Ω（等效電路如圖12所示），即Z0+ZB=50Ω，當(dāng)尖峰信號(hào)發(fā)生器輸出指示值UO設(shè)置為600V時(shí)，尖峰信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部源U0輸出的電壓為1200V，所以用1MΩ阻抗示波器在A、B點(diǎn)間測(cè)試的尖峰電壓UAB=［U0/（Z0+ZB+ZL）］×ZL=［1200V/（50Ω+1000000Ω）］×1000000Ω≈1200V。此時(shí)通過源阻抗變換器（2201-2）疊加到被測(cè)器件輸入正端的尖峰電壓約為1200V。

圖12 瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試

由于在進(jìn)行瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)，器件的輸入端（圖4）引入了1200V瞬態(tài)尖峰電壓，遠(yuǎn)超過圖1中限幅電路設(shè)計(jì)值600V瞬態(tài)尖峰電壓。使通過限流電阻R1（阻值3kΩ）的瞬態(tài)電流過大（1200V/3000Ω=0.4A）超過穩(wěn)壓管D1（型號(hào)1N4742）能夠承受的最大工作電流（指標(biāo)為0.076A）以及瞬態(tài)電流（指標(biāo)為0.38A），因此在瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)（1分鐘施加50次）當(dāng)尖峰電壓施加幾次后導(dǎo)致D1失效［7］。以致尖峰電壓沿著晶體管Q1的基極導(dǎo)通至發(fā)射極VCC端，VCC是后續(xù)控制電路（包括主控芯片等）的電源端，正常情況下幅度在11.3V，由于Q1的擊穿導(dǎo)通使尖峰電壓直接引入到后續(xù)電路中，致使主控芯片等燒毀［10］。

5 故障復(fù)現(xiàn)

經(jīng)過實(shí)際模擬測(cè)量證實(shí)了在進(jìn)行瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)，施加到器件輸入端的尖峰電壓為1200V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于器件設(shè)計(jì)指標(biāo)（600V）及冗余量（700V左右），因此可以判斷如果將1200V瞬態(tài)尖峰電壓按每分鐘50次的頻率施加到被測(cè)浪涌抑制器輸入端，肯定會(huì)造成被測(cè)器件損傷或失效［14］。

6 結(jié)語

綜上所述，浪涌抑制器瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試后失效原因是在瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)施加的尖峰電壓過高所致。為防止后續(xù)測(cè)試操作出現(xiàn)類似問題，建議在瞬態(tài)尖峰電壓測(cè)試時(shí)依據(jù)《GJB181-86飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備的要求》在開路條件下用示波器監(jiān)測(cè)圖9中A、B點(diǎn)的尖峰電壓為測(cè)試要求電壓作為測(cè)試時(shí)的施加條件［13］。