基于VIF特性分析的電路板故障診斷方法研究

李光升, 歐 博, 安斌來(lái),魏 寧

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系，北京 100072; 2.中國(guó)人民解放軍31700部隊(duì)，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引言

隨著微電子技術(shù)、微封裝技術(shù)和印制電路板制造技術(shù)的不斷發(fā)展，電路板體積變得越來(lái)越小，復(fù)雜程度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的電路板故障檢測(cè)方法使用萬(wàn)用表和示波器“探針”對(duì)電路板進(jìn)行檢測(cè)，在電子元器件分布密度越來(lái)越高的電路板上，已經(jīng)無(wú)法精確采集到所需要的電路板的伏安參數(shù)[1-3]。電感、電容、半導(dǎo)體元件的使用在電路板上越來(lái)越多，僅僅對(duì)伏安特性進(jìn)行檢測(cè)無(wú)法考慮到頻率對(duì)電路參數(shù)的影響。本文采用的VIF特性分析使用集成的電路檢測(cè)設(shè)備，理論上能獲取電路完整的VIF特性曲線，能很快對(duì)電路板的故障進(jìn)行定位，達(dá)到對(duì)電路板的“心電圖”進(jìn)行診斷的效果。

VIF檢測(cè)技術(shù)是基于VI曲線測(cè)試基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型電路檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)于VI曲線技術(shù)，它最大的改進(jìn)在于在原有二維VI曲線的基礎(chǔ)上加入頻率維，形成三維的VIF特性曲面，這樣的優(yōu)勢(shì)在于，對(duì)電容、二極管等容性元件以及電感等感性元件檢測(cè)時(shí)，可以在較寬頻率范圍內(nèi)掃描，可以更全面地了解此類(lèi)元器件是否發(fā)生故障。有的元件故障只在低頻下對(duì)電路產(chǎn)生影響，但當(dāng)電路工作在高頻時(shí)，對(duì)電路幾乎無(wú)影響，而有的元件故障只在高頻時(shí)影響電路的性能，但是低頻下對(duì)電路的影響可能會(huì)時(shí)有時(shí)無(wú)。因此，考慮頻率對(duì)電路功能的影響，可以更全面地對(duì)電路板的故障進(jìn)行診斷，從而發(fā)現(xiàn)電路板的隱藏故障。

1 VIF特性分析的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

進(jìn)行VIF特性分析，首先要對(duì)電路板的VIF特性進(jìn)行采集。電路板上元器件密度越來(lái)越大，雖然電路板在設(shè)計(jì)之初也會(huì)留下測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，但電路板存在組合故障和由于電子元件的容差引起的故障無(wú)法通過(guò)預(yù)留測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到。使用萬(wàn)用表和示波器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于硬件條件的限制，探針無(wú)法精確的對(duì)選取的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行波形采集，甚至可能會(huì)在測(cè)試過(guò)程中由于探針的體積過(guò)大而造成元件之間的短路[4-6]。本文在實(shí)驗(yàn)時(shí)采用集成的BM8500多功能電路板故障診斷系統(tǒng)，能通過(guò)較少的測(cè)試節(jié)點(diǎn)來(lái)采集到電路板全部的VIF參數(shù)，基于VIF多路交叉矩陣掃描技術(shù)的電路板故障特性分析，可以對(duì)電路板的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的伏安特性的測(cè)試拓展到全頻率范圍，繪制出三維的VIF圖象，是VIF特性分析的硬件基礎(chǔ)。

基于VIF的特性分析相對(duì)于其他故障診斷的方法而言，更貼合與電路的本質(zhì)，采集到的VIF曲線(面)是電路板最基本的特征，是從元件級(jí)來(lái)對(duì)電路板進(jìn)行分析與故障診斷的方法。要進(jìn)行電路板的VIF特性分析，要對(duì)常見(jiàn)電子元件的伏安特性有所了解，由于采集到的VIF圖象不一定來(lái)源于單個(gè)的電子元件，所以要對(duì)電路的板塊進(jìn)行劃分，在對(duì)產(chǎn)生異常的VIF圖象分析時(shí)結(jié)合電路的原理圖，精確定位發(fā)生故障的元件，是VIF特性分析的理論基礎(chǔ)。

2 常見(jiàn)電子元件的VIF特性曲線特征及故障模式分析

電路板上常見(jiàn)的電子元件類(lèi)型主要有電阻、電容、電感、二極管等，這些元件的VIF特性曲線各有其特征。通過(guò)獲取和分析分立元件的VIF特性圖象，積累不同特性的元器件的VIF圖象特征，根據(jù)各種分立元件發(fā)生不同故障時(shí)的VIF特性曲線的變化，對(duì)元件的各種故障模式進(jìn)行分析，為后續(xù)進(jìn)行電路板模塊級(jí)VIF特性分析打下基礎(chǔ)。

2.1 電阻

電阻是電路中最簡(jiǎn)單但必不可少的元件之一，在電路板中應(yīng)用十分廣泛，主要是在電路中起到限流的作用，在電路中，電阻中的電流與電路兩端的電壓成正比[7]。電阻的VIF特性曲線最為簡(jiǎn)單，圖1為使用BM8500檢測(cè)儀采集到的電阻的VIF特性曲線。

圖1 電阻VIF特性曲線

VIF特性曲線中，y軸表示元件兩端的電壓，x軸表示流經(jīng)元件的電流，z軸表示頻率。由圖1可知，電阻的阻值基本上不受頻率的影響，所以在VIF特性曲線中表現(xiàn)為一個(gè)經(jīng)過(guò)z軸的平面，在任意頻率下，電阻的伏安特性曲線為一條直線，電阻的阻值越小，伏安特性曲線的斜率越大。電阻在電路中產(chǎn)生故障可能有兩大類(lèi)，致命失效和參數(shù)漂移：

1)致命失效。在滅火抑爆電路中常見(jiàn)的致命失效有斷路、接觸損壞、機(jī)械損傷、短路和擊穿等。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)電阻發(fā)生致命失效時(shí)，電路的輸入輸出響應(yīng)會(huì)發(fā)生較大變化，可能引起電路整體工作狀態(tài)發(fā)生變化，診斷此類(lèi)故障時(shí)使用萬(wàn)用表就能檢測(cè)，現(xiàn)象明顯。

2)參數(shù)漂移。從統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，參數(shù)漂移在電路中發(fā)生的情況較致命失效更為頻繁，且其對(duì)電路的影響可能較為隱蔽。在某型滅火抑爆電路板中常見(jiàn)的參數(shù)漂移故障主要有匝間短路、容性短路，電路互感影響等。

匝間短路。在外界機(jī)械力的作用下，會(huì)造成電阻的形變，造成電阻絲匝間短路，從而導(dǎo)致電阻的阻值減小。如圖2所示。

圖2 電阻匝間短路

圖2中左圖為VIF特性的3D曲線圖象，右圖為該界面顯示的某頻率下的VI曲線。通常在進(jìn)行VIF特性曲線分析時(shí)，先觀察3D曲面的特性，從中截取異常的頻率或頻率段后，觀察異常頻率或頻率段的VI曲線特征，應(yīng)用VIF特性掃描，進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，可以將完好的元件VIF特性曲線進(jìn)行存儲(chǔ)，在VIF特性掃描時(shí)圖中深色曲線(面)為存儲(chǔ)的原始曲線，淺色曲線為實(shí)測(cè)的曲線，在右圖中可以看到，該深色曲線較淺色曲線寬，這是由于在測(cè)試時(shí)預(yù)留了容差。電路的匝間短路故障會(huì)引起電阻的微弱減小，在VIF特性曲線中的表現(xiàn)就是斜率的變化，雖然發(fā)生匝間短路后的電阻阻值仍然在容差范圍內(nèi)，但可以觀察到淺色曲線的斜率已經(jīng)偏離。

電阻容性短路故障。這種故障通常是由于電路設(shè)計(jì)的不合理，正常電阻受旁路電容的影響，導(dǎo)致電阻形成滯回曲線。

根據(jù)圖3為模擬電阻被電容短路所截取的圖象，為使故障現(xiàn)象更明顯，便于觀察故障規(guī)律。當(dāng)電路被電容所短路時(shí)，VIF特性曲線會(huì)形成滯回曲線并向y軸的方向偏轉(zhuǎn)，尤其在高頻下，電容被完全導(dǎo)通，電阻將失去作用。

圖3 電阻容性短路

電路互感影響。當(dāng)電路板中的線路布置過(guò)于密集或由于復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，會(huì)導(dǎo)致電阻受電路互感的影響，模擬此類(lèi)故障時(shí)將電阻與電感串聯(lián)。

由圖4可以觀察到，電感對(duì)電阻的影響與電容類(lèi)似，二者都在電阻原本曲線的基礎(chǔ)上形成了滯回曲線，不同之處在于電感對(duì)電阻形成的滯后曲線會(huì)向x軸的方向偏轉(zhuǎn)，使得導(dǎo)通性變差。造成此差異的原因是電容和電感對(duì)不同頻率的電參數(shù)反應(yīng)不同，而電容和電感對(duì)電阻參數(shù)漂移造成的影響通過(guò)常規(guī)檢測(cè)手段無(wú)法對(duì)其進(jìn)行診斷。

圖4 電路互感影響

2.2 電容

電容，是一種容納電荷的容器，是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，廣泛應(yīng)用于隔直通交、耦合、旁路、諧波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換和控制等方面。它由兩塊金屬電極之間夾一層絕緣電介質(zhì)構(gòu)成，是一個(gè)儲(chǔ)能元件[8]。

圖5 電容VIF特性

圖5中對(duì)某型號(hào)的電容進(jìn)行了VIF特性曲線掃描，掃描頻率為100 Hz～2 kHz。在圖象中可以看到，同一電壓下，電路的頻率越低，該頻率下的伏安特性曲線越趨近于x軸，即流經(jīng)電容中流過(guò)的電流越小，反之，隨著電路頻率的升高，其圖象越趨近于y軸，流經(jīng)電容的電流越大。這一結(jié)果，反映了電容元件“隔直通交”的特性。此外，由圖象可以知道，電容元件受電路頻率的影響較大，有的電容元件損壞只在單一頻率下使用伏安特性進(jìn)行檢測(cè)無(wú)法判斷其是否發(fā)生故障，需要對(duì)電容元件進(jìn)行一定頻率范圍的VIF特性掃描才能對(duì)其是否故障進(jìn)行判斷。

電容在使用過(guò)程中，通常產(chǎn)生的故障現(xiàn)象是容量變小，其故障模式一般有擊穿、開(kāi)路和參數(shù)退化。

1)電容擊穿。電容器徹底擊穿后，將會(huì)失去電容的作用，電容的引腳之間為通路，電容失去隔直作用，使電路的直流電路出現(xiàn)故障從而影響交流的工作狀態(tài)。電容擊穿時(shí)相當(dāng)于短路，在VIF特性曲線的表現(xiàn)為與yoz平面重合，沒(méi)有形成橢圓曲面。

2)開(kāi)路。開(kāi)路形成的原因一般是電極與引線接觸點(diǎn)的氧化等原因造成接觸不良或絕緣，或因工作電解質(zhì)干枯、凍結(jié)等。

3)電參數(shù)退化。電參數(shù)退化相對(duì)于以上兩種更為常見(jiàn)，且故障原因更為復(fù)雜，一般受環(huán)境因素影響更大，此為產(chǎn)生電參數(shù)退化的根本原因，但其本質(zhì)是影響了電容的基本結(jié)構(gòu)，如潮濕環(huán)境造成電極銹蝕、電解質(zhì)老化或熱分解等，其他的原因還有漏電和電容的機(jī)械形變。此類(lèi)故障一般會(huì)造成電容的容值減小，如圖6所示，其現(xiàn)象是VIF特性曲線收縮。

圖6 電參數(shù)退化

4)輸入短路故障。如圖7所示，電容兩端在并入電阻時(shí)，導(dǎo)致電容的圖象發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且頻率越低對(duì)電容的影響越大。

圖7 電容輸入短路

2.3 電感

電感元件也是一種儲(chǔ)能元件，它能將電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)起來(lái)，在電路中的作用主要有濾波、震蕩、延遲和限波等，此外還有篩選信號(hào)、過(guò)濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾的作用[9]。其特性與電容特性正好相反，它具有阻止交流通過(guò)而讓直流通過(guò)的特性。

圖8是電感的VIF特性曲線的圖象，電感與電容的VIF特性相反，它允許直流通過(guò)而隔斷交流通過(guò)，頻率越高線圈阻抗越大，所以電感的VIF圖象在低頻下接近y軸，而在高頻下接近x軸。因此，電感也是受電路頻率影響的基礎(chǔ)元件之一，對(duì)電感進(jìn)行VIF特性掃描，能有更大幾率檢測(cè)其是否發(fā)生故障。

在電路板中，電感常見(jiàn)的故障有以下幾種：

1)鐵芯消磁。鐵芯消磁會(huì)導(dǎo)致電感線圈的磁通量減小，從而導(dǎo)致電感的電感量減小。

2)匝間短路。匝間短路會(huì)導(dǎo)致電感線圈匝數(shù)減少，從而導(dǎo)致通過(guò)電感線圈的總磁通減少，電感值減小。

圖8 電感VIF特性 圖9 電感值減小

3)電感導(dǎo)通性變差。電感受潮濕環(huán)境影響，導(dǎo)致電感線圈的阻值增大，導(dǎo)通性變差。

圖10 電感導(dǎo)通性變差

2.4 二極管

二極管在電路板的應(yīng)用中十分廣泛，它只允許電流由單一方向流過(guò)，我們稱(chēng)這種特性為單向?qū)щ娦?，這種特性使得二極管被大量應(yīng)用于各種調(diào)制電路，是一種重要的基礎(chǔ)元件[10]。

由于PN結(jié)兩端帶有正負(fù)電荷，與電容器極板帶點(diǎn)相似，因此在一定條件下，PN結(jié)還具有一定的電容效應(yīng)，成為結(jié)電容。雖然結(jié)電容的數(shù)值不大，但在高頻電路中還要考慮結(jié)電容的影響。

對(duì)二極管進(jìn)行VIF特性掃描，得到圖11中的VIF特性曲線圖象。

圖11 二極管VIF特性

由圖中可以觀察到由于結(jié)電容的存在，二極管在高頻下出現(xiàn)反向的電流，且頻率越高，二極管結(jié)電容的作用越明顯。二極管是一種相對(duì)穩(wěn)定的元器件，其故障模式主要由以下幾種：

1)擊穿。當(dāng)反向電壓過(guò)高時(shí)，會(huì)超過(guò)二極管的擊穿電壓，造成二極管內(nèi)PN結(jié)的擊穿。圖12為普通二極管，其結(jié)電容很小。在右圖中可以看到二極管在反向擊穿時(shí)的變化。

圖12 二極管反向擊穿

2)結(jié)電容變化。一般結(jié)電容的變化表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)容減小，此故障模式可參考電容的故障，不過(guò)多贅述。如圖13的對(duì)比圖象，可以觀察到明顯的結(jié)電容減小，滯回曲線收縮。

圖13 二極管結(jié)電容減小

根據(jù)對(duì)以上4種常見(jiàn)的基礎(chǔ)元件進(jìn)行VIF特性掃描分析，頻率會(huì)對(duì)電路中的電子元件產(chǎn)生影響從而產(chǎn)生故障，VIF特性掃描對(duì)于實(shí)現(xiàn)電路板的故障診斷存在研究?jī)r(jià)值。根據(jù)以上元件的故障模式可以總結(jié)出以下規(guī)律：

1)短路的故障曲線與yoz平面重合，短路的故障曲線與xoy平面重合。

2)電阻對(duì)電路造成影響主要是造成圖象的偏移，對(duì)滯回曲線影響不大。

3)電容對(duì)電路的影響一般是造成曲面形成滯回曲線且向z軸方向偏移，且頻率越高影響越大。

4)電感對(duì)電路的影響也會(huì)造成曲面形成滯回但偏移方向是向x軸。

3 基于VIF特性的模塊級(jí)電路故障診斷

某型滅火抑爆系統(tǒng)在裝甲裝備上應(yīng)用廣泛，但由于裝甲裝備上工作環(huán)境惡劣，電磁條件復(fù)雜，對(duì)火情反應(yīng)不靈敏或滅火瓶誤動(dòng)作的故障現(xiàn)象也頻繁發(fā)生。針對(duì)某型滅火抑爆電路板的故障診斷，應(yīng)用基于VIF特性分析的方法能有效診斷出容性元件或電路互感現(xiàn)象對(duì)電路功能的影響。

3.1 電爆管驅(qū)動(dòng)電路

電爆管驅(qū)動(dòng)電路接收從控制處理中心傳來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大后輸出到輸出到滅火瓶的電爆管，將其引爆使滅火瓶噴射滅火劑。該電路中，Q1為達(dá)林頓晶體管，R69為5.1 Ω電阻，由于電阻阻值很小，所以在導(dǎo)通段斜率很大，在正常工作時(shí)輸出大電流驅(qū)動(dòng)引爆電爆管。其原理圖如圖14所示。

圖14 電爆管驅(qū)動(dòng)電路原理圖

對(duì)該電路進(jìn)行VIF特性掃描，完好電路板的Pt6處掃描獲得的結(jié)果如圖15所示。

圖15 電爆管驅(qū)動(dòng)電路VIF特性

對(duì)于電爆管驅(qū)動(dòng)電路，最常見(jiàn)的故障是其輸出電流值過(guò)小而無(wú)法引爆電爆管。通過(guò)調(diào)研，該模塊產(chǎn)生的故障一般是經(jīng)Q1達(dá)林頓晶體管放大后的強(qiáng)大電流將R69燒毀。電阻的結(jié)構(gòu)是在碳膜上刻槽，保留碳膜條，電阻上的碳膜條由于某種條件(如電流過(guò)大導(dǎo)致過(guò)載)，燒壞(氧化)了一部分，但又未完全燒斷，相對(duì)原電阻變細(xì)的碳膜條阻值就變得很大。

為模擬電爆管無(wú)法被引爆的故障，對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行故障注入，增大在電路中串聯(lián)一個(gè)200 Ω的電阻，對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行相同條件下的VIF特性掃描，截取到的VIF特性曲線可以明顯看到由于電阻阻值的增加，在Q1導(dǎo)通時(shí)VIF特性曲線斜率減小，電流也無(wú)法達(dá)到引爆電爆管的值。

對(duì)于電爆管的驅(qū)動(dòng)電路，還有一種故障是滅火瓶引爆延時(shí)的故障。按原定功能，在IC5發(fā)出啟動(dòng)電爆管的指令后應(yīng)當(dāng)在30 ms后引爆電爆管?chē)娚錅缁饎趯?shí)際操作過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)電爆管引爆延時(shí)時(shí)長(zhǎng)大于2 s，而且此類(lèi)故障發(fā)生的概率較低，將電路板從控制盒中拆離后檢測(cè)時(shí)又能顯示正常。在對(duì)其進(jìn)行檢查后，猜測(cè)是由于電爆管驅(qū)動(dòng)電路輸出的線路纏繞，出現(xiàn)互感，導(dǎo)致電流增大變慢，引爆電爆管延時(shí)較長(zhǎng)。

為模擬該故障，在Q1輸出端與電阻R69串聯(lián)一個(gè)電感，并在測(cè)點(diǎn)Pt6處掃描截取到的VIF特性曲線如圖16所示，在掃描頻率范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)由于電感的作用，導(dǎo)致在Q1導(dǎo)通時(shí)，需要一段時(shí)間后該處電流大小才能達(dá)到足以引爆電爆管的4A電流。

圖16 電感對(duì)電路的影響

3.2 滅火瓶指示燈控制電路

滅火瓶指示燈控制電路在受到旁路電容的影響時(shí)，會(huì)出現(xiàn)指示燈誤動(dòng)作，在正常工作時(shí)，若滅火瓶狀況良好，D27應(yīng)當(dāng)處于截止?fàn)顟B(tài)，滅火指示燈不亮。模擬旁路電容對(duì)該電路的影響，在D27兩端并聯(lián)一個(gè)電容，截取到完好電路和故障電路的VIF特性曲線如圖18所示。

圖17 滅火瓶指示燈控制電路

根據(jù)圖18中完好的VIF特性曲線，當(dāng)沒(méi)有并入電容時(shí)，二極管D27不會(huì)導(dǎo)通，指示燈不亮，但是并入旁路電容后，在二極管不導(dǎo)通的部分也出現(xiàn)了滯回曲線，尤其是在高頻段更為明顯。因此，故障電路中電流存在高頻干擾時(shí)，會(huì)導(dǎo)致指示燈誤動(dòng)作的故障，無(wú)法正確判斷滅火瓶的狀況。

圖18 滅火指示燈控制電路VIF特性

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用基于VIF特性分析的方法進(jìn)行電路板故障診斷的具體步驟為：

1)對(duì)電路原理圖進(jìn)行分析，劃分模塊，選擇合適的測(cè)點(diǎn)；

2)啟動(dòng)檢測(cè)儀電源，存儲(chǔ)完好電路板VIF特性圖像；

3)對(duì)選擇的測(cè)點(diǎn)用探筆接入檢測(cè)儀，選擇合適的頻段后進(jìn)行檢測(cè)，截取圖像；

4)對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)比分析，查找電路板故障損壞位置。

該方法用于某型裝甲車(chē)輛滅火抑爆系統(tǒng)板的故障診斷，為驗(yàn)證該故障診斷系統(tǒng)的診斷能力，對(duì)該系統(tǒng)各種故障狀態(tài)進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行了診斷。對(duì)每種故障狀態(tài)進(jìn)行了1 000次實(shí)驗(yàn)，最后達(dá)到的故障診斷效果見(jiàn)表1。

表1 某型滅火抑爆系統(tǒng)電路板診斷效果

由表中數(shù)據(jù)可知，該故障診斷方法對(duì)滅火抑爆系統(tǒng)電路板的故診斷準(zhǔn)確率幾乎達(dá)到95%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)滅火抑爆系統(tǒng)電路板的故障診斷，達(dá)到故障診斷需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于VIF特性分析的電路板故障診斷方法，首先介紹了該方法實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)，針對(duì)分立的元器件，基于VIF特性曲線進(jìn)行了檢測(cè)及分析，并分析了幾種常見(jiàn)的元件故障模式，并對(duì)幾種故障模式進(jìn)行了模擬并采集了故障曲線，總結(jié)了基于VIF特性分析的元件故障規(guī)律，為電路板的模塊級(jí)檢測(cè)打下基礎(chǔ)，積累經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)用該方法對(duì)某型滅火抑爆系統(tǒng)的故障進(jìn)行了檢測(cè)與診斷，根據(jù)子模塊VIF特性的分析結(jié)果來(lái)看，能夠準(zhǔn)確地定位故障，提高了診斷過(guò)程中檢測(cè)環(huán)節(jié)的效率，針對(duì)電路中容性或感性的故障模式，有著很好的診斷效果。但在診斷環(huán)節(jié)還需要借助電路的原理，在后續(xù)研究中可以結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法往智能化轉(zhuǎn)變，還需要進(jìn)行更深入的研究。