直流電源監(jiān)控器故障解析

摘 要：針對電源監(jiān)控器的故障現(xiàn)象，展開故障源理論的分析，列出故障樹并逐項排查，從而實現(xiàn)故障的定位。故障定位后還需要進行故障的復(fù)現(xiàn)，以驗證定位的準確性。然后提出解決問題的方法，并展開驗證，同時做解決措施的影響分析1，才最終完成故障的解決。

關(guān)鍵詞：異常復(fù)位;故障樹;故障復(fù)現(xiàn);反向尖峰電壓;泄放二極管

電源系統(tǒng)是飛機供電系統(tǒng)的重要組成部分，飛機在地面進行維護、檢修等時常需要從地面向機上提供電源，電源監(jiān)控器就是介于地面電源與機上電網(wǎng)之間的一個電源保護裝置，通過監(jiān)測地面電源的品質(zhì)，如過壓/欠壓，實現(xiàn)對機上用電設(shè)備的保護。完善電源監(jiān)控器的設(shè)計，對于保護機上用電設(shè)備具有重要的意義。本文主要對電源監(jiān)控器異常復(fù)位的故障進行了實例分析，遵循故障歸零的程序方法，提出有效的改進措施。

1 概述

1.1電源監(jiān)控器

電源監(jiān)控器（以下簡稱監(jiān)控器）屬于機上電源系統(tǒng)，其功能是當?shù)孛骐娫凑r，監(jiān)控器控制直流電源接觸器導(dǎo)通，將外部電源接入機上電網(wǎng);當?shù)孛骐娫床徽r，監(jiān)控器不接通直流電源接觸器，使外部電源不能接入機上電網(wǎng);當接入機上電網(wǎng)的地面電源品質(zhì)發(fā)生變化且超出要求時，監(jiān)控器控制直流電源接觸器斷開，將地面電源與機上電網(wǎng)脫開。監(jiān)控器原理框圖見圖1。

1.2故障現(xiàn)象

在使用地面蓄電池電源車（CT-2）給機上設(shè)備供電時，隨著電源車電量的消耗，其供電電壓出現(xiàn)欠壓（低于20.5VDC）時，監(jiān)控器應(yīng)以欠壓為判據(jù)，切斷電源車向機上電網(wǎng)供電，并保持自鎖狀態(tài)，即在監(jiān)控器重新上電復(fù)位前維持機上電網(wǎng)斷電狀態(tài)。

但實際情況是該監(jiān)控器切斷電源車向機上電網(wǎng)供電后，并沒有保持自鎖狀態(tài)，約3s后電源車電壓恢復(fù)至23VDC左右時，監(jiān)控器控制直流電源接觸器導(dǎo)通，重新向機上電網(wǎng)供電，然后電源車電壓因再次接入負載而很快降至欠壓狀態(tài)，監(jiān)控器繼續(xù)切斷電源車向機上電網(wǎng)供電，依然是約3s后電源車重新并網(wǎng)，故障現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)。

2 故障定位

2.1問題排查

監(jiān)控器正常工作時，其狀態(tài)指示綠燈亮，狀態(tài)指示紅燈滅。在上述故障現(xiàn)象發(fā)生時，觀察到監(jiān)控器狀態(tài)指示紅燈和狀態(tài)指示綠燈出現(xiàn)同時閃亮的情況，該現(xiàn)象只有監(jiān)控器正常上電啟動或者監(jiān)控器復(fù)位時才會出現(xiàn)，而在上述故障過程中，監(jiān)控器一直未斷電，故排除監(jiān)控器正常上電啟動導(dǎo)致的指示燈閃亮，從而判斷監(jiān)控器有異常復(fù)位情況發(fā)生，可能是監(jiān)控器在判定電源車欠壓故障并切斷外部電源向機上電網(wǎng)供電瞬間，內(nèi)部電路出現(xiàn)電壓波動干擾，導(dǎo)致監(jiān)控器自身出現(xiàn)異常復(fù)位現(xiàn)象。

監(jiān)控器自身的復(fù)位是由內(nèi)部主控制芯片主導(dǎo)的，故根據(jù)該主控制芯片復(fù)位源分析，列出監(jiān)控器自身異常復(fù)位的故障樹，并對故障樹的底事件展開逐一分析排查。

主控制芯片復(fù)位電路原理圖見圖2，故障樹見圖3。

監(jiān)控器異常復(fù)位各底事件排查結(jié)果如下：

X1：上電/掉電復(fù)位

監(jiān)控器的正常工作電壓范圍為：（7～50）VDC，在飛機使用地面電源CT-2供電過程中，供電電源CT-2在監(jiān)控器異常復(fù)位發(fā)生過程中電源電壓未出現(xiàn)工作電壓超出監(jiān)控器的工作電壓之外的現(xiàn)象，即在異常復(fù)位發(fā)生期間監(jiān)控器未發(fā)生重新上電或者掉電現(xiàn)象，因此X1（上電/掉電復(fù)位）底事件可以排除。

X2：外部/RST引腳復(fù)位

/RST引腳為內(nèi)部控制芯片C8051F020復(fù)位引腳，低電平有效，產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位的最小/RST 低電平時間為10ns，如果該管腳在監(jiān)控器控制外部電源欠壓斷電瞬間產(chǎn)生的外部低電平干擾大于10ns時，芯片可能產(chǎn)生異常復(fù)位，因此X2（外部/RST引腳復(fù)位）底事件待查。

X3：軟件強制復(fù)位

在軟件中向芯片SWRSEF位寫‘1將強制產(chǎn)生一個上電復(fù)位，軟件中未使用該復(fù)位功能，因此X3（軟件強制復(fù)位）底事件可以排除。

X4：時鐘丟失檢測器復(fù)位

時鐘丟失檢測器實際上是由 MCU 系統(tǒng)時鐘觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路。 如果未收到系統(tǒng)時鐘的時間大于 100 微秒，單穩(wěn)態(tài)電路將超時并產(chǎn)生一個復(fù)位。 在發(fā)生時鐘丟失檢測器復(fù)位后， MCDRSF標志（RSTSRC.2）將被置‘1 ，表示本次復(fù)位源為 MSD;否則該位被清‘0。/RST 引腳的狀態(tài)不受該復(fù)位的影響。把 OSCIN 寄存器中的 MSCLKE 位置‘1將使能時鐘丟失檢測器，軟件中未OSCIN 寄存器中的 MSCLKE 位置‘1，即未配置使用該復(fù)位功能，故X4（時鐘丟失檢測器復(fù)位）底事件可以排除。

X5：比較器0復(fù)位

向 C0RSEF 標志（RSTSRC.5）寫‘1可以將比較器 0 配置為復(fù)位源。應(yīng)在寫 C0RSEF之前用 CPT0CN.7（見圖 8.3）使能比較器 0，以防止通電瞬間在輸出端產(chǎn)生抖動，從而產(chǎn)生不希望的復(fù)位。比較器 0 復(fù)位是低電平有效：如果同相端輸入電壓（CP0+引腳）小于反相端輸入電壓（CP0-引腳） ，則 MCU 被置于復(fù)位狀態(tài)。在發(fā)生比較器 0 復(fù)位之后，C0RSEF 標志（RSTSRC.5）的讀出值為‘1，表示本次復(fù)位源為比較器 0;否則該位被清‘0。/RST 引腳的狀態(tài)不受該復(fù)位的影響。軟件中向 C0RSEF 標志（RSTSRC.5）寫‘1，即未配置使用該復(fù)位功能，因此，X5（比較器0復(fù)位）底事件可以排除。

X6：外部 CNVSTR 引腳復(fù)位

向 CNVRSEF 標志 （RSTSRC.6） 寫 ‘1 可以將外部 CNVSTR 信號配置為復(fù)位源。 CNVSTR信號可以出現(xiàn)在 P0、P1、P2 或 P3 的任何 I/O 引腳，見“17.1 端口 0 – 端口 3 和優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器” 。注意：交叉開關(guān)必許被配置為使 CNVSTR 信號接到正確的端口 I/O。應(yīng)該在將CNVRSEF 置‘1之前配置并使能交叉開關(guān)。當被配置為復(fù)位源時，CNVSTR 為低電平有效。在發(fā)生 CNVSTR 復(fù)位之后，CNVRSEF 標志（RSTSRC.6）的讀出值為‘1 ，表示本次復(fù)位源為 CNVSTR;否則該位讀出值為‘0 。/RST 引腳的狀態(tài)不受該復(fù)位的影響。軟件中未向 CNVRSEF 標志 （RSTSRC.6） 寫 ‘1，即未配置使用該復(fù)位功能，因此，X6（外部 CNVSTR 引腳復(fù)位）底事件可以排除。

X7：看門狗定時器復(fù)位

軟件中使用看門狗定時器復(fù)位功能，看門狗定時設(shè)置時間約為87ms，在程序運行異常時，看門狗定時器超時，監(jiān)控器會出現(xiàn)芯片復(fù)位，監(jiān)控器軟件程序經(jīng)過第三方測評，在測評未發(fā)生過因軟件程序運行異常導(dǎo)致看門狗定時器超時復(fù)位的現(xiàn)象，而且本次故障多次重復(fù)發(fā)生，非偶發(fā)情況。因此，X7（看門狗定時器復(fù)位）底事件導(dǎo)致監(jiān)控器異常復(fù)位的概率非常小，基本排除。

2.2排故結(jié)論及問題定位

總結(jié)排除故障樹分析情況，監(jiān)控器異常復(fù)位原因由于內(nèi)部控制芯片C8051F020復(fù)位管腳/RST受到低電平干擾導(dǎo)致芯片復(fù)位的概率最大。

為了準確定位監(jiān)控器異常復(fù)位原因，在控制芯片C8051F020復(fù)位管腳/RST處進行測試：模擬地面電源欠壓故障，使監(jiān)控器通過控制輸出端AO1和AO2斷開中間繼電器，緊接著后端直流接觸器也會斷開，在接觸器斷開瞬間用示波器測試捕捉該復(fù)位管腳處是否存在低電平干擾。

經(jīng)示波器測試捕捉，發(fā)現(xiàn)在復(fù)位管腳/RST處存在一個約96ms的低電平干擾（C8051F020的/RST復(fù)位時間只需10ns），在此干擾下監(jiān)控器控制芯片C8051F020發(fā)生了復(fù)位，測試捕捉圖片見圖4，故可以定位監(jiān)控器異常復(fù)位的原因是由于內(nèi)部控制芯片C8051F020復(fù)位管腳/RST受到低電平干擾。

3 機理分析

監(jiān)控器控制端輸出Ao1和Ao2分別控制兩路中間繼電器，進而控制機上直流接觸器導(dǎo)通，實現(xiàn)地面電源向機上電網(wǎng)的并網(wǎng)供電。當?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)過壓或欠壓故障時，監(jiān)控器通過Ao1和Ao2控制中間繼電器和直流接觸器斷開，地面電源與機上電網(wǎng)脫開。由于直流接觸器為感性負載，在斷電瞬間會產(chǎn)生一個的很強的反向尖峰電壓，見圖4，該反向尖峰電壓將電源地電平瞬間拉低，主控制芯片信號地處也在此瞬間產(chǎn)生一個反向電動勢，導(dǎo)致主控制芯片C8051F020的復(fù)位管腳/RST處產(chǎn)生瞬時低電平干擾，電路圖見圖5。

4 故障復(fù)現(xiàn)

在產(chǎn)品原測試平臺基礎(chǔ)上增加后續(xù)中間繼電器和直流接觸器，并與電參系統(tǒng)交聯(lián)，使用大功率電源模擬地面電源，搭建出地面試驗環(huán)境，模擬地面電源過壓、欠壓故障，在兩種故障情況下均實現(xiàn)了故障復(fù)現(xiàn)。

在模擬地面電源過壓、欠壓故障時，檢測主控制芯片C8051F020的/RST復(fù)位管腳處電平變化情況，在直流接觸器斷電瞬間產(chǎn)生的反向尖峰電壓及/RST復(fù)位管腳處低電平干擾繼續(xù)出現(xiàn)。

5 采取的措施及驗證

5.1采取的措施

監(jiān)控器異常復(fù)位是由于控制輸出端連接的機上中間繼電器、直流接觸器在斷電瞬間產(chǎn)生的反向尖峰電壓干擾到監(jiān)控器內(nèi)部主控制芯片C8051F020的/RST復(fù)位引腳所致，針對該原因在監(jiān)控器輸出控制端Ao1和Ao2上對地反向并聯(lián)泄放二極管（型號2CZ5806）。

5.2地面/機上試驗驗證

在地面試驗環(huán)境下進行措施有效性驗證，監(jiān)控器在地面電源過壓、欠壓時異常復(fù)位現(xiàn)象消失。

地面試驗環(huán)境中措施有效性驗證后，又開展了機上措施有效性驗證，監(jiān)控器在地面電源過壓、欠壓時異常復(fù)位現(xiàn)象也消失。

5.3更改影響分析

a）理論分析

在監(jiān)控器輸出控制端Ao1和Ao2上對地反向并聯(lián)泄放二極管（型號2CZ5806），Ao1和Ao2上控制輸出端直接連接后續(xù)繼電器線圈，對地并聯(lián)泄放二極管不影響正常輸出控制電平，該更改措施不會對后續(xù)電路造成影響。二極管2CZ5806參數(shù)見表1。

b）更改試驗驗證

對監(jiān)控器進行硬件設(shè)計更改，將更改后的產(chǎn)品進行高低溫工作、高低溫貯存、振動、沖擊、加速度試驗驗證。經(jīng)過上述試驗驗證后，監(jiān)控器功能正常。

6 結(jié)語

按照故障歸零的程序方法，對電源監(jiān)控器機上使用時出現(xiàn)異常復(fù)位故障問題的歸零定位準確、機理清楚，采取的改進措施經(jīng)驗證有效，故障問題得到徹底解決。

參考文獻：

[1] 潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z].新華龍電子有限公司，2005年2月.

作者簡介：

楊倫（1980-），男，湖北隨州人，工程碩士，研究方向為測控系統(tǒng)與傳感器。