橫滾角速率測(cè)量組件高溫?zé)o輸出故障分析

摘要：某型橫滾角速率測(cè)量組件在首飛安全試驗(yàn)中的溫度-高度試驗(yàn)中出現(xiàn)產(chǎn)品信號(hào)無輸出故障現(xiàn)象，通過現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)、故障定位、機(jī)理分析和復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證，對(duì)故障進(jìn)行了剖析，探尋故障產(chǎn)生的根源，提出了改進(jìn)措施，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了措施的有效性。

關(guān)鍵詞：電源模塊；帶載能力；功耗；故障樹

Keywords：power module；load capacity；power consumption；fault tree

1 故障情況

橫滾角速率測(cè)量組件的主要功能是將測(cè)量得到的三軸角速率、三軸加速度信息和解算得到的俯仰、傾斜角信息發(fā)送給飛控計(jì)算機(jī)。橫滾角速率測(cè)量組件由三軸陀螺、三個(gè)單軸加速度計(jì)、解算板、接口板、電源板和機(jī)箱組成，如圖1所示。

橫滾角速率測(cè)量組件在進(jìn)行首飛安全試驗(yàn)中的溫度—高度試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至環(huán)境溫度85℃、高度為地面時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)品信號(hào)無輸出的故障現(xiàn)象。故障時(shí)28V消耗電流變?yōu)?.13A，明顯低于橫滾角速率測(cè)量組件正常工作的消耗電流。橫滾角速率測(cè)量組件正常工作時(shí)，28V消耗電流應(yīng)不低于0.2A。

2 故障定位及分析

橫滾角速率測(cè)量組件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)橫滾角速率信息的采集與上報(bào)，橫滾角速率測(cè)量組件內(nèi)部功能模塊包括傳感器（陀螺和加表等）、信號(hào)采集電路、FPGA功能電路、DSP功能電路、飛控通信功能電路、電源六個(gè)部分，如圖2所示。

傳感器主要用于感測(cè)橫滾角速率測(cè)量組件的角速率、加速度等信息；信號(hào)采集電路主要實(shí)現(xiàn)將各傳感器感測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成FPGA功能電路能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)；FPGA功能電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收與發(fā)送功能，該功能由FPGA芯片及其外圍電路實(shí)現(xiàn)；DSP功能電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，從而得到飛機(jī)的姿態(tài)信息、補(bǔ)償后的三軸角速率信息及三軸加速度信息；飛控通信功能電路主要實(shí)現(xiàn)橫滾角速率測(cè)量組件與飛控計(jì)算機(jī)之間的HB 6096數(shù)據(jù)通信，該通信功能通過ARINC 429芯片實(shí)現(xiàn)；電源部分為整個(gè)橫滾角速率測(cè)量組件提供能量輸入。

依據(jù)故障現(xiàn)象，分析得出導(dǎo)致該故障現(xiàn)象的可能原因，包含電源模塊無28V輸入、電源模塊故障、電源轉(zhuǎn)換芯片故障、ARINC 429芯片、FPGA故障，由此建立故障樹（見圖3）。

2.1 電源模塊無28V輸入排查

故障時(shí)，使用萬用表測(cè)試濾波器輸出及電源模塊的28V輸入，測(cè)得值均為28V，滿足電源模塊12～35V的輸入要求，可排除底事件EVENT1、EVENT2。

2.2 電源模塊故障排查

EVENT3——28V轉(zhuǎn)5V失效排查：故障時(shí)，萬用表測(cè)試電源模塊輸出的5V電壓下降至3.3V。相同條件下，斷開后級(jí)負(fù)載電路后單獨(dú)測(cè)試電源模塊，萬用表測(cè)得電源模塊輸出的5V電壓值為4.96V，暫無法排除該底事件。

EVENT4——28V轉(zhuǎn)±15V失效排查：故障時(shí)，萬用表測(cè)試電源模塊輸出的±15V電壓，測(cè)得值分別為14.95V和-14.9V，符合模塊±（15±0.15）V的輸出要求，該底事件可排除。

2.3 電源轉(zhuǎn)換芯片故障排查

EVENT5——5V轉(zhuǎn)3.3V失效排查：故障時(shí)，萬用表測(cè)試電源轉(zhuǎn)換芯片D7的輸出，3.3V電壓下降至1.2V。

EVENT6——5V轉(zhuǎn)2.5V失效排查：故障時(shí)，萬用表測(cè)試電源轉(zhuǎn)換芯片N1的輸出，2.5V電壓下降至0.82V。

EVENT7——5V轉(zhuǎn)1.8V失效排查：故障時(shí)，萬用表測(cè)試電源轉(zhuǎn)換芯片N2的輸出，1.8V電壓下降至0.56V。

EVENT8——5V轉(zhuǎn)1.26V失效排查：故障時(shí)，萬用表測(cè)試電源轉(zhuǎn)換芯片N4的輸出，1.26V電壓下降至0.37V。

EVENT9——5V轉(zhuǎn)1V失效排查：故障時(shí)，萬用表測(cè)試電源轉(zhuǎn)換芯片N3的輸出，1V電壓下降至0.27V。

因電源模塊5V輸出已經(jīng)發(fā)生掉壓，且低于電源轉(zhuǎn)換芯片的輸入范圍，會(huì)導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換芯片輸出電壓下降，故斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號(hào)，直接用5V穩(wěn)壓源給后級(jí)負(fù)載電路供電，在85℃條件下測(cè)試電源轉(zhuǎn)換芯片D7、N1～N4的輸出均在正常范圍內(nèi)，故可以排除底事件EVENT5～EVENT9。

2.4 ARINC429芯片故障排查

EVENT10——ARINC429芯片故障排查：故障時(shí)，測(cè)試ARINC429芯片JHI8586無輸入；斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號(hào)，直接用5V穩(wěn)壓源給后級(jí)負(fù)載電路供電，測(cè)試軟件顯示產(chǎn)品輸出正常，該底事件可排除。

2.5 FPGA故障排查

故障時(shí)，測(cè)試FPGA芯片無輸出，斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號(hào)，直接用5V穩(wěn)壓源給后級(jí)負(fù)載電路供電，測(cè)試軟件顯示FPGA輸出正常，可排除底事件EVENT11、EVENT12。

2.6 故障定位

通過底事件排查過程，可以確定85℃高溫時(shí)產(chǎn)品信號(hào)無輸出故障是由電源模塊輸出5V電壓下降導(dǎo)致的。組件所選電源模塊ZHDC19T0515/8W的5V輸出能力只有1A。斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號(hào)，在85℃高溫條件下直接用5V穩(wěn)壓源給后級(jí)負(fù)載電路供電，監(jiān)控5V輸出的消耗電流，電流鉗測(cè)得值在1.12A左右，超出了電源模塊5V輸出的帶載能力。因此，85℃高溫時(shí)產(chǎn)品信號(hào)無輸出故障是由于電源模塊5V帶載能力不足導(dǎo)致的。

3 故障原因分析

機(jī)上28V直流電源進(jìn)入電源板后，通過電源防反接保護(hù)、濾波網(wǎng)絡(luò)后，通過電源模塊將28V直流電源轉(zhuǎn)換為±15V和+5V直流電源，然后通過接插件供給解算板、接口板、三軸陀螺及3個(gè)加速度計(jì)。原理框圖如圖4所示。

電源模塊選用XX/8W型標(biāo)準(zhǔn)模塊，具有5V-1A、15V-0.1A、-15V-0.1A的輸出能力，如表1所示。

對(duì)已交付產(chǎn)品實(shí)際消耗電流進(jìn)行梳理統(tǒng)計(jì)（見表2），可見橫滾角速率測(cè)量組件5V輸出消耗電量隨溫度升高明顯，在高溫70℃時(shí)5V輸出電流已逼近輸出能力。故下面重點(diǎn)分析電源模塊5V帶載能力。

橫滾角速率測(cè)量組件5V電源輸出主要用于為FPGA、DSP、三軸陀螺儀、加速度計(jì)供電，產(chǎn)品常溫工作及高溫85℃工作時(shí)電源模塊5V帶載情況如表3所示。

由表2～表3可知，產(chǎn)品5V輸出帶載的FPGA芯片、DSP芯片、陀螺、加表的功耗隨著溫度的升高都會(huì)有一定程度的增加。其中，F(xiàn)PGA功耗隨溫度升高而增加的特性表現(xiàn)尤為顯著。

85℃條件下，僅FPGA即需要2.265W的功耗，由表3可見電源模塊5V輸出帶載的總功耗不低于5.6W，而提供二次電源的模塊5V輸出能力只有5W的額定功耗輸出能力，小于需要的功耗，進(jìn)一步說明其帶載能力不足，導(dǎo)致在85℃條件下，F(xiàn)PGA無法啟動(dòng)，無法正常向ARINC 429接口芯片發(fā)送控制信號(hào)，使產(chǎn)品無法輸出信號(hào)。

4 故障復(fù)現(xiàn)及糾正措施

故障件斷電，恢復(fù)到常溫，重新上電，產(chǎn)品能夠正常工作，功能性能符合技術(shù)協(xié)議要求。升溫到70℃，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能性能測(cè)試，符合技術(shù)協(xié)議要求?；謴?fù)環(huán)境溫度85℃，通電后正常工作約10min后，故障復(fù)現(xiàn)。

采取糾正措施，增加電源模塊的輸出能力，采用兩個(gè)電源模塊實(shí)現(xiàn)28V轉(zhuǎn)5V和28V轉(zhuǎn)±15V的功能。依據(jù)表2中5V功耗理論計(jì)算結(jié)果，28V轉(zhuǎn)5V功能所選電源模塊XX/3W輸出電流能力2A，紋波35mV；理論計(jì)算得出±15V功耗不超過1.3W，故28V轉(zhuǎn)±15V功能所選電源模塊XX/10W電流輸出能力0.1A，能力保持不變。

對(duì)采取改進(jìn)措施后的橫滾角速率測(cè)量組件進(jìn)行70℃和85℃的工作試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，更換了增加電源模塊的電源板后，產(chǎn)品符合協(xié)議要求。試驗(yàn)及后期裝機(jī)使用過程中均未再出現(xiàn)該故障。

5 結(jié)論

此次橫滾角速率測(cè)量組件高溫?zé)o輸出故障，暴露出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，提示設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行充分的論證、仿真及驗(yàn)證，重視驗(yàn)證試驗(yàn)。方案設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視元器件選型分析，預(yù)留合適的設(shè)計(jì)余量，以有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

作者簡(jiǎn)介

李妍，碩士，工程師，研究方向：導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。