一種驗(yàn)證單板保險(xiǎn)絲承受雷擊能力的測(cè)試方法

王嬌 姚華 高永慧 史靖宏

蚌埠產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 安徽蚌埠 233000

1 問(wèn)題的提出

工程上單板電源上的保險(xiǎn)絲熔斷造成單板的返修率較大，其中雷擊造成保險(xiǎn)絲熔斷約占40%左右，希望在設(shè)計(jì)之初對(duì)單板上所選保險(xiǎn)絲究竟能承受多少次雷擊進(jìn)行驗(yàn)證，降低保險(xiǎn)絲雷擊熔斷造成的返修率。常規(guī)的驗(yàn)證方法是直接對(duì)單板的電源口，按照要求進(jìn)行1.2/50us波形的雷擊驗(yàn)證測(cè)試，但常規(guī)的驗(yàn)證方法有以下不足：

（1）測(cè)試用時(shí)長(zhǎng)，效率低，對(duì)雷擊測(cè)試儀器有傷害。驗(yàn)證測(cè)試的頻度和次數(shù)高，若驗(yàn)證保險(xiǎn)絲耐受10000次雷擊沖擊，就要用雷擊測(cè)試儀器進(jìn)行10000次的雷擊驗(yàn)證測(cè)試，至少需要10000分鐘，約20.8天。

（2）模擬保險(xiǎn)絲在高溫高濕工程環(huán)境下承受雷擊的能力驗(yàn)證不易實(shí)現(xiàn)。模擬驗(yàn)證需要將保險(xiǎn)絲所在系統(tǒng)放入高溫高濕箱中進(jìn)行，雷擊測(cè)試儀器和高溫高濕箱在不同的實(shí)驗(yàn)室，而且雷擊測(cè)試有環(huán)境規(guī)定，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很難[1]。

因此考慮找一種替代常規(guī)雷擊測(cè)試儀器的驗(yàn)證方法，能比常規(guī)方法用時(shí)短，容易模擬高溫高濕工程環(huán)境驗(yàn)證測(cè)試，對(duì)雷擊測(cè)試儀器使用無(wú)影響。若能實(shí)現(xiàn)是有一定價(jià)值的。

2 方法的構(gòu)想

通過(guò)分析保險(xiǎn)絲熔斷及熔化熱能的測(cè)試原理、雷擊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種測(cè)試驗(yàn)證方法。

保險(xiǎn)絲經(jīng)受雷擊的次數(shù)多少，是由保險(xiǎn)絲融化熱能決定的。保險(xiǎn)絲本身有一定阻抗，電流通過(guò)保險(xiǎn)絲產(chǎn)生熱量Q=0.24I2Rt，保險(xiǎn)絲熔體溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到保險(xiǎn)絲熔點(diǎn)，保險(xiǎn)絲就熔斷。

保險(xiǎn)絲公稱熔化熱能是使保險(xiǎn)絲熔斷所需的能量值（熱量），與溫度及電壓無(wú)關(guān)。保險(xiǎn)絲公稱熔化熱能的測(cè)試，是給保險(xiǎn)絲施加一個(gè)電流增量并測(cè)量融化發(fā)生的時(shí)間，如果在約8毫秒或更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生熔化，那么就增加脈沖電流的強(qiáng)度，直到保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間在8毫秒以內(nèi)，這時(shí)I2t就是保險(xiǎn)絲的熔化熱能。

保險(xiǎn)絲公稱熔化熱能測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)是控制在時(shí)間8毫秒以內(nèi)，這個(gè)時(shí)間可以保證保險(xiǎn)絲產(chǎn)生熱量散發(fā)不出去，測(cè)試的熔化熱能才更接近真實(shí)的值。

用戶單板保險(xiǎn)絲承受的雷擊次數(shù)，常規(guī)的驗(yàn)證方法是采用雷擊波形1.2/50us進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證的，雷擊脈沖的時(shí)間是微妙級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8毫秒。因此雷擊通過(guò)保險(xiǎn)絲時(shí)，產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)出去，幾乎全作用于保險(xiǎn)絲溫度的升高，當(dāng)溫度升高到保險(xiǎn)絲的熔斷點(diǎn)溫度時(shí)，保險(xiǎn)絲就熔斷，若達(dá)不到的話，不會(huì)熔斷。

保險(xiǎn)絲每通過(guò)一次雷擊，保險(xiǎn)絲溫度會(huì)升高，保險(xiǎn)絲會(huì)發(fā)生氧化、產(chǎn)生熱應(yīng)力，保險(xiǎn)絲的壽命就降低，熔化熱能就降低。隨著保險(xiǎn)絲承受雷擊次數(shù)的增多，保險(xiǎn)絲逐漸老化，其承受雷擊次數(shù)的能力逐漸降低。因此雷擊對(duì)保險(xiǎn)絲的影響，主要是熱量[2]。

根據(jù)以上分析，考慮通過(guò)一個(gè)脈沖串來(lái)模擬一個(gè)雷擊脈沖，設(shè)計(jì)脈沖串和一個(gè)雷擊脈沖在保險(xiǎn)絲上產(chǎn)生的熱能相等，即產(chǎn)生的熱量和一個(gè)雷擊脈沖相同；設(shè)計(jì)的脈沖串的時(shí)間小于8毫秒，這樣脈沖串通過(guò)保險(xiǎn)絲產(chǎn)生的熱散發(fā)不出去，全部熱量作用于保險(xiǎn)絲，這樣一個(gè)脈沖串通過(guò)保險(xiǎn)絲的作用就等效于一個(gè)雷擊脈沖通過(guò)保險(xiǎn)絲，若設(shè)計(jì)保險(xiǎn)絲承受10000次雷擊，就給保險(xiǎn)絲加10000次脈沖串。

通過(guò)保險(xiǎn)絲雷擊脈沖，可以在進(jìn)行1.2/50us波形的雷擊測(cè)試時(shí)，用電流探頭測(cè)試通過(guò)單板保險(xiǎn)絲的雷擊波形獲得。

采用一個(gè)脈沖串等效一個(gè)雷擊脈沖方法構(gòu)想如下：

（1）獲取通過(guò)單板保險(xiǎn)絲雷擊電流波形，計(jì)算雷擊波形的熱能。根據(jù)單板所在系統(tǒng)電源口雷擊嚴(yán)酷度要求，對(duì)電源口進(jìn)行1.2/50us波形的雷擊測(cè)試時(shí)，用電流探頭測(cè)試通過(guò)單板保險(xiǎn)絲的雷擊波形（電流波形）；

①所用測(cè)試儀器：示波器：頻率響應(yīng)200到300MHz。電流探頭：頻率響應(yīng)10MHz以上，最大脈沖電流200A以上。

②測(cè)試電路圖如下：

③計(jì)算通過(guò)保險(xiǎn)絲一次雷擊的熱能。根據(jù)獲得的保險(xiǎn)絲雷擊電流波形，對(duì)照下表看符合哪個(gè)圖形，然后按照這個(gè)圖形對(duì)應(yīng)的熔化熱能計(jì)算公式計(jì)算一次雷擊的熱能。如雷擊電流波形符合正弦波，雷擊電流波形的熱能=1/2I2t。

（2）確定等效一個(gè)雷擊熱能的脈沖串。

①脈沖串內(nèi)每個(gè)小脈沖波形的確定。脈沖串內(nèi)每個(gè)脈沖脈寬等于實(shí)測(cè)的雷擊電流波形脈寬或2倍脈寬或按照能夠獲得脈寬，脈寬多少根據(jù)實(shí)際情況確定；考慮到方形波容易得到，脈沖串每個(gè)小波形采用方形波形。每個(gè)小波形脈沖電流大小可以取20A25A30A不等；脈沖串中的每個(gè)脈沖波形的熱能=I2t（t為波形脈寬，I為小波形脈沖電流大小）

②脈沖串脈沖個(gè)數(shù)確定：一個(gè)脈沖串的脈沖個(gè)數(shù)=通過(guò)保險(xiǎn)絲一次雷擊熱能/脈沖串每個(gè)脈沖的熱能；計(jì)算得到的脈沖串個(gè)數(shù)肯定不是整數(shù)，往高里取整數(shù)，若計(jì)算得到11.2個(gè)脈沖，就取值12。這樣獲得脈沖串的熔化熱能稍大于通過(guò)保險(xiǎn)絲雷擊的熔化熱能，這樣驗(yàn)證獲得的結(jié)果可靠度更高。

③脈沖串內(nèi)每個(gè)脈沖的間隔時(shí)間=雷擊電流波形脈寬或2倍脈寬。

④脈沖串時(shí)間確定。一個(gè)脈沖串時(shí)間一定小于8毫秒。

⑤每個(gè)脈沖串的間隔時(shí)間確定。這個(gè)時(shí)間間隔保證保險(xiǎn)絲通過(guò)一次脈沖串后，能恢復(fù)到原狀，對(duì)此問(wèn)題和知名的保險(xiǎn)絲品牌廠家Littlefuse進(jìn)行了交流，通過(guò)一個(gè)脈沖串后，1秒或以上時(shí)間，保險(xiǎn)絲可以恢復(fù)，脈沖串間隔時(shí)間按照1秒（常規(guī)雷擊驗(yàn)證，需要1分鐘）

（3）產(chǎn)生脈沖串的電路設(shè)計(jì)。通過(guò)以下的電路設(shè)計(jì)獲得脈沖串。

電路圖中的保險(xiǎn)絲是待驗(yàn)證的保險(xiǎn)絲，在所在的用戶板上。2.3歐姆電阻是獲得脈沖串內(nèi)每個(gè)脈沖電流大小的取樣電阻，電阻大小由確定的脈沖電流峰值來(lái)確定，取樣電阻R=48伏/脈沖電流。圖中的“保險(xiǎn)絲所在單板”，是所選保險(xiǎn)絲所在的單板[3]。

通過(guò)CPLD、光耦控制MOS管的導(dǎo)通關(guān)閉，獲得脈沖串。脈沖串間隔、脈沖串內(nèi)每個(gè)脈沖的寬度、間隔通過(guò)控制mos管的導(dǎo)通截止來(lái)獲得。

在工程現(xiàn)場(chǎng)，有雷擊通過(guò)保險(xiǎn)絲時(shí)，保險(xiǎn)絲是有工作電流通過(guò)的，測(cè)試驗(yàn)證時(shí)采用保險(xiǎn)絲所在單板，保證有實(shí)際的工作電流通過(guò)保險(xiǎn)絲，使的測(cè)試驗(yàn)證接近實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。

（4）驗(yàn)證條件。在工程現(xiàn)場(chǎng)，有雷擊通過(guò)保險(xiǎn)絲時(shí)，保險(xiǎn)絲是有工作電流通過(guò)的，測(cè)試驗(yàn)證時(shí)采用保險(xiǎn)絲所在單板，保證有實(shí)際的工作電流通過(guò)保險(xiǎn)絲，使的測(cè)試驗(yàn)證接近工程應(yīng)用環(huán)境

工程現(xiàn)場(chǎng)保險(xiǎn)絲所處環(huán)境溫度不是常溫，驗(yàn)證時(shí)保險(xiǎn)絲環(huán)境溫度按照嚴(yán)酷的工程環(huán)境溫度80度。

3 舉例

某系統(tǒng)GTGHG單板電源上保險(xiǎn)絲選擇是2.5A,設(shè)計(jì)承受雷擊10000次，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證是否承受10000次雷擊要求。驗(yàn)證如下：

3.1 通過(guò)2.5A保險(xiǎn)絲雷擊波形的獲得

測(cè)試獲得通過(guò)2.5A保險(xiǎn)絲的最大雷擊電流波形如下，波形脈寬30us，脈沖電流峰值137A,波形的熱能=（1/2）ip2t=0.2816A 2Sec。

3.2 確定脈沖串

脈沖串每個(gè)小波形的脈寬等于實(shí)測(cè)的雷擊電流波形脈寬2倍即60us模擬，小波形間隔60us，電流峰值取值20A，小波形采用方波。

一個(gè)小脈沖波形熔化熱能I2t=ip2t=202×60×10-6=24000×10-6=0.024A2Sec。

脈沖串個(gè)數(shù)=通過(guò)保險(xiǎn)絲雷擊的熔化熱能0.2816A2Sec/脈沖串中小波形熔化熱能0.024A2Sec=11.73,取整數(shù)12。即12個(gè)脈沖串熔化熱能相當(dāng)于一次通過(guò)保險(xiǎn)絲的雷擊能量。

12個(gè)脈沖波形總脈寬為12×60×2=1440us小于8毫秒，這個(gè)時(shí)間保證脈沖串產(chǎn)生的熱量散發(fā)不出去。

脈沖串間隔設(shè)置1秒。

需要獲得等效通過(guò)保險(xiǎn)絲雷擊波形能量的脈沖串如下圖5。

3.3 脈沖串的實(shí)現(xiàn)

采用本方法提供電路（見(jiàn)圖3）獲得脈沖串。圖3中保險(xiǎn)絲所在的單板采用2.5A保險(xiǎn)絲所在的單板GTGHG板。

脈沖電流20A通過(guò)2.3歐姆電阻獲得，mos管導(dǎo)通電阻約0.1歐姆，通過(guò)保險(xiǎn)的電流=48伏/(2.3+0.1)=20A。

單板采用2.5A保險(xiǎn)絲所在的GTGHG單板，驗(yàn)證測(cè)試時(shí)，保證通過(guò)保險(xiǎn)絲的電流是正常工作時(shí)的電流0.52A。

通過(guò)CPLD、光耦控制MOS管導(dǎo)通截止，獲得通過(guò)保險(xiǎn)絲的脈沖串（12個(gè)脈沖）。

獲得脈沖串如下圖6，（實(shí)際電路無(wú)法獲取60us的脈寬，只能獲得65us脈寬，脈沖的串波形的數(shù)量11個(gè)就等效一個(gè)雷擊波形的能量）。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

（1）常溫測(cè)試littelfuse和VICFUSE品牌保險(xiǎn)絲各一次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明保險(xiǎn)絲通過(guò)1萬(wàn)次脈沖串后工作正常，采用高精度萬(wàn)用表（型號(hào)：AgilentU1251A）對(duì)比測(cè)試?yán)讚羟昂蟊ｋU(xiǎn)絲的阻值，發(fā)現(xiàn)未有變化；

（2）將保險(xiǎn)絲及其驗(yàn)證電路放在烘箱內(nèi)，在高溫70℃（模擬實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)溫度）下測(cè)試，littlefuse和VICFUSE品牌保險(xiǎn)絲各兩個(gè)樣品，在高溫70℃下，保險(xiǎn)絲通過(guò)1萬(wàn)次脈沖串，試驗(yàn)結(jié)果兩種保險(xiǎn)絲正常工作，采用高精度萬(wàn)用表（型號(hào)：AgilentU1251A）對(duì)比測(cè)試?yán)讚羟昂蟊ｋU(xiǎn)絲的阻值，發(fā)現(xiàn)未有變化；

表1 本方法和常規(guī)方法對(duì)比匯總

結(jié)論：選擇的GTGHG單板上2.5A保險(xiǎn)絲在C300系統(tǒng)內(nèi)可以承受10000次雷擊。

3.5 驗(yàn)證時(shí)間計(jì)算

采用本方法驗(yàn)證保險(xiǎn)絲需要的試驗(yàn)時(shí)間=10000個(gè)脈沖串時(shí)間=(一個(gè)脈沖串時(shí)間11x65x2=1430微妙x10000次)/1000000+10000)/3600=2.78小時(shí)。比用常規(guī)驗(yàn)證需要的166小時(shí)即20.8天相比，時(shí)間節(jié)約了很多，效率提高了很多倍。

采用常規(guī)方法，每次測(cè)試至少1分鐘，10000次需要10000分鐘，即20.8天。

4 結(jié)語(yǔ)

該方法在公司應(yīng)用后，效果不錯(cuò)。大大縮短了測(cè)試用時(shí)，節(jié)約了資源，提高了研發(fā)效率和效果，見(jiàn)表1。