某型相控陣?yán)走_(dá)電源失效分析

趙俊

摘要：介紹了某型相控陣?yán)走_(dá)電源失效引起的雷達(dá)系統(tǒng)故障，分析了電源失效的原因以及對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，針對(duì)雷達(dá)電源失效這一常見(jiàn)故障制定糾正預(yù)防措施，對(duì)糾正措施的效果驗(yàn)證后固化，并協(xié)同研制單位在產(chǎn)品大修期間進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，提升了產(chǎn)品可靠性和修理質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá)；電子控制單元；失效；機(jī)理分析

Keywords：phased array radar；electronic control unit；failure；mechanism analysis

0 引言

某電源是某型相控陣?yán)走_(dá)電源分系統(tǒng)的一部分，主要功能是輸出1路+36V、2路+5V、1路+12V和1路-5V穩(wěn)壓電源，提供給某型相控陣?yán)走_(dá)的T/R組件、波控等單元。

36V是該電源功耗最大的輸出支路，輸出電流達(dá)到64A。電路使用了500WDC/DC變換器，共5只并聯(lián)輸出，變換器模塊中設(shè)計(jì)了一個(gè)并聯(lián)控制電路，模塊上的PR腳之間通過(guò)隔離變壓器耦合接口可實(shí)現(xiàn)負(fù)載均流。5只模塊中的一只作為驅(qū)動(dòng)器模塊，其余4只設(shè)置為倍增器模塊。驅(qū)動(dòng)器模塊為主控模塊，發(fā)送同步脈沖到并聯(lián)（PR）母線，使各并聯(lián)模塊內(nèi)高頻開(kāi)關(guān)同步工作，從而強(qiáng)制各模塊輸出電流均衡。每個(gè)變換器模塊本身具有完善的保護(hù)功能，包括輸入過(guò)壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)等。其中，給T/R組件供電的36V電源在37V和32V分別設(shè)有過(guò)壓、欠壓保護(hù)點(diǎn)，通過(guò)與比較器電路連接，當(dāng)輸出低于32V或高于37V時(shí)，比較器反轉(zhuǎn)，控制光耦導(dǎo)通，將變換器模塊的PC端子電壓拉低至2.3V以下，即可關(guān)斷電源輸出。

該電源失效會(huì)導(dǎo)致T/R組件、波控單元等雷達(dá)主要分系統(tǒng)工作異常，引起環(huán)控系統(tǒng)監(jiān)控控制紊亂、成片T/R組件無(wú)法正常工作、無(wú)法啟動(dòng)波束掃描等一系列故障，最終導(dǎo)致雷達(dá)無(wú)法正常發(fā)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)，喪失作戰(zhàn)能力。

1 故障現(xiàn)象及排查

1.1 故障現(xiàn)象

雷達(dá)啟動(dòng)過(guò)程中多次出現(xiàn)下列故障：任務(wù)電子系統(tǒng)雷達(dá)分系統(tǒng)ECU單元無(wú)法正常啟動(dòng)，顯示屏無(wú)法正常顯示；待雷達(dá)系統(tǒng)全部啟動(dòng)后，包括ECU、T/R、波控等多個(gè)單元報(bào)故障；雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行校正測(cè)試，天線接收、發(fā)射幅度圖均不符合指標(biāo)要求；波瓣分布圖不合格。

1.2 排查過(guò)程

對(duì)ECU單元進(jìn)行排查，用測(cè)試設(shè)備采集波控和電源模塊傳感器數(shù)據(jù)，地址無(wú)法獲取。檢查其電路，發(fā)現(xiàn)有一路該電源模塊傳感器信號(hào)輸出端與地線短路，該短路導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)讀取失敗。根據(jù)排查的初步結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該電源模塊、波控單元、ECU子系統(tǒng)進(jìn)行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)右面第二塊電源模塊輸入端插頭及其對(duì)應(yīng)電源盒上的插座均已燒壞。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)燒灼情況判斷此處發(fā)生過(guò)打火。進(jìn)一步檢查整個(gè)電源供電分系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，除該處接插件燒毀外，ECU分機(jī)模塊、39個(gè)傳感器（含24個(gè)電源模塊傳感器、15個(gè)波控系統(tǒng)傳感器）均有不同程度損傷。

2 失效分析

2.1 電源盒外圍電路分析

從故障現(xiàn)象分析，故障原因是電源盒上的插座打火，導(dǎo)致插針短路，而后270V直流電壓從供電端口竄入環(huán)控系統(tǒng)的傳感器電源系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），進(jìn)而導(dǎo)致ECU分機(jī)模塊故障以及并聯(lián)的24塊電源模塊內(nèi)傳感器、15塊波控系統(tǒng)內(nèi)傳感器失效。

2.2 DS18B20型傳感器失效分析

本系統(tǒng)采用1-Wire總線溫度傳感器DS18B20，引腳示意如圖2所示。DS18B20的工作電壓為3～5.5V，工作溫度范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，引腳對(duì)地電壓范圍為-0.5～+6.0V。DS18B20原理圖如圖3所示，從原理圖可知，當(dāng)任一引腳被引入270V高壓之后都會(huì)導(dǎo)致引腳之間的二極管被擊穿，從而導(dǎo)致傳感器失效。

通過(guò)分析傳感器的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)并結(jié)合對(duì)傳感器的測(cè)試結(jié)果，得出以下結(jié)論：電源盒連接器A端口A15（+270V）、A8（傳感器電源+5V）、A9（傳感器電源地）、A10（傳感器DQ）插針間短路，造成打火，致使連接器失效；270V高壓被傳導(dǎo)到環(huán)控傳感器上，使傳感器引腳之間的二極管被擊穿，導(dǎo)致傳感器失效。

3 機(jī)理分析

3.1 故障樹(shù)

經(jīng)過(guò)分析，得到連接器的故障樹(shù)，如圖4所示。

3.2 失效機(jī)理分析

造成該電源盒連接器燒毀的原因可能有：電源內(nèi)部短路，導(dǎo)致電源座燒毀；電源座內(nèi)有異物，導(dǎo)致電源座電極之間短路燒毀；電源座內(nèi)針與座結(jié)合處的缺陷在長(zhǎng)期振動(dòng)環(huán)境下不斷擴(kuò)大并最終打火，使電源座的絕緣層碳化，導(dǎo)致電極之間短路燒毀；電源座進(jìn)水，導(dǎo)致電極間短路燒毀。

1）電源內(nèi)部短路分析

電源內(nèi)部電路由保護(hù)開(kāi)關(guān)、36V整流模塊、12V整流模塊及5V整流模塊組成，如圖5所示。在每個(gè)整流模塊的輸入端均有一個(gè)保護(hù)開(kāi)關(guān)（容量為3.15A），當(dāng)內(nèi)部各整流模塊或者其下一級(jí)電路發(fā)生短路時(shí)，如果電流超過(guò)3.15A，保護(hù)開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)進(jìn)行保護(hù)，而電源插針可承受的額定工作電流高達(dá)8A，因此電源內(nèi)部模塊即使存在短路也不會(huì)導(dǎo)致電源插座燒毀。

檢查故障電源模塊發(fā)現(xiàn)模塊完好，因此排除其內(nèi)部短路導(dǎo)致插座燒毀的可能性。

2）導(dǎo)電異物短路分析

產(chǎn)品如有導(dǎo)電異物進(jìn)入，大多是生產(chǎn)過(guò)程中留下的金屬絲或者焊錫渣，造

成短路后異物將很快被打火熔斷，不會(huì)造成類似的嚴(yán)重灼燒痕跡，且之前未拆卸過(guò)該電源，因此排除導(dǎo)電異物造成短路的可能性。

3）插針與插孔接觸不良短路分析

插針與插孔配合不可靠，在振動(dòng)時(shí)如果有虛接觸，極易發(fā)生270V打火的情況。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拆卸情況，插座、電源均固定牢靠，因此排除接觸不良造成故障的可能性。

4）連接器進(jìn)水短路分析

從故障現(xiàn)象分析以及燒灼現(xiàn)場(chǎng)判斷，燒毀一面處于電源模塊插座A端口的底部，其蓋面處于槽的底部，若有水進(jìn)入，該部位極易成為短路面。因此，對(duì)此原因進(jìn)行詳細(xì)分析。

4 連接器進(jìn)水分析

4.1 進(jìn)水機(jī)理及試驗(yàn)分析

連接器進(jìn)水有兩種可能：水滴進(jìn)入、大量水蒸氣凝結(jié)。針對(duì)這類故障進(jìn)行滲水試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)、拷機(jī)試驗(yàn)三項(xiàng)試驗(yàn)。

1）滲水試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證冷凝水是否會(huì)通過(guò)線纜束間隙滲入腔體內(nèi)部；

試驗(yàn)方法：取同型號(hào)的電源盒，取出連接器A端口輸入線纜垂直方向的密封西卡膠，線纜束之間有少許縫隙；在此處滴少許冷凝水，用搖表分別測(cè)試A端口的270V（+）端子、270V（-）端子與機(jī)殼之間的絕緣電阻值；

試驗(yàn)結(jié)果：測(cè)試結(jié)果為0MΩ。拔掉上面的電源盒插座后，發(fā)現(xiàn)下面電源插座的A端口內(nèi)側(cè)底部已溢入了少量水；

試驗(yàn)結(jié)論：冷凝水會(huì)沿線纜滲入腔體。

2）溫度試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證在腔體內(nèi)沒(méi)有冷凝水的情況下溫度變化是否會(huì)導(dǎo)致電源插座短路；

試驗(yàn)方法：溫度范圍為-55℃～70℃，從-55℃開(kāi)始升溫，每10℃為一個(gè)溫度臺(tái)階，每個(gè)溫度臺(tái)階保持1h；在1h內(nèi)分別測(cè)試電源A端口270V（+）端子、270V（-）端子與機(jī)殼之間的絕緣電阻值；

試驗(yàn)結(jié)果：低溫階段，絕緣阻值很大且隨溫度變化很小；在溫度由常溫向高溫的變化過(guò)程中，絕緣電阻值隨著溫度升高而變小，但最小值為264MΩ（見(jiàn)圖6），均滿足絕緣要求；

試驗(yàn)結(jié)論：在腔體內(nèi)沒(méi)有冷凝水的情況下，溫度變化不會(huì)導(dǎo)致電源插座短路的發(fā)生。

3）拷機(jī)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模涸跍y(cè)試設(shè)備上進(jìn)一步試驗(yàn)，以驗(yàn)證在腔體內(nèi)沒(méi)有冷凝水時(shí)溫度變化是否會(huì)導(dǎo)致電源插座短路；

試驗(yàn)方法：在無(wú)空調(diào)的環(huán)境下，室內(nèi)空氣干燥，測(cè)試設(shè)備連續(xù)加電8h，其間沒(méi)有波束掃描，不輻射高功率；

試驗(yàn)結(jié)果：電源工作正常，未出現(xiàn)類似故障；

試驗(yàn)結(jié)論：從反面說(shuō)明是冷凝水進(jìn)入腔體導(dǎo)致故障發(fā)生。

綜合上述三項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可以確認(rèn)，水進(jìn)入腔體是導(dǎo)致故障發(fā)生的原因。

4.2 水進(jìn)入路徑分析

連接器部位進(jìn)水可能有雨水和冷凝水或水汽兩個(gè)來(lái)源，冷凝水量多時(shí)進(jìn)入方式類似于雨水。

1）雨水

雨水進(jìn)入連接器導(dǎo)致打火損壞的故障曾發(fā)生在其他裝備中，故障現(xiàn)象和本次燒毀的故障現(xiàn)象基本相同。經(jīng)分析認(rèn)為故障是由雨水造成，雨水經(jīng)電源盒連接器的定位孔進(jìn)入連接器導(dǎo)致短路。采取的處理方法是用西卡膠灌封定位孔，防止潮氣及冷凝水從定位孔滲入。

2）冷凝水

冷凝水進(jìn)入通道的方式包含：連接器自身生成冷凝水進(jìn)入；裝備內(nèi)部生成的冷凝水聚集，由雨水通道進(jìn)入。為了查明冷凝水的來(lái)源，需要進(jìn)行濕熱試驗(yàn)和故障件解剖分析。

a.濕熱試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證連接器的腔體呼吸效應(yīng)是否會(huì)導(dǎo)致潮氣滲入而形成冷凝水。

試驗(yàn)方法：試驗(yàn)階段包含升溫段（常溫～60℃，95%RH，升溫時(shí)間2h）、高溫高濕段（60℃，95%RH，保持時(shí)間6h）、降溫段（60℃～30℃，95%RH，降溫時(shí)間8h）和常溫高濕段（30℃，95%RH，保持時(shí)間8h）。4個(gè)階段以24h為一個(gè)循環(huán)（見(jiàn)圖7），每個(gè)階段分別測(cè)試插座A端口270V（+）端子、270V（-）端子與機(jī)殼之間的絕緣電阻值。共進(jìn)行10個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果：在各階段的腔體內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)冷凝水，測(cè)試最小絕緣電阻值為267MΩ。

試驗(yàn)結(jié)論：腔體的呼吸效應(yīng)不會(huì)導(dǎo)致潮氣滲入而產(chǎn)生冷凝水。

b.故障件解剖分析

線纜上附有黑色油煙狀物質(zhì)說(shuō)明打火生成的煙霧能進(jìn)入膠封下的線纜，即線纜與密封膠之間是有間隙的，因此冷凝水可經(jīng)線纜與密封膠之間的縫隙沿線纜流入連接器。綜合故障件的解剖分析和滲水試驗(yàn)確認(rèn)，水沿線纜束進(jìn)入連接器導(dǎo)致短路，產(chǎn)生打火，連接器失效，導(dǎo)致該電源失效。

4.3 水的來(lái)源機(jī)理分析

通過(guò)濕熱試驗(yàn)可以排除連接器內(nèi)產(chǎn)生冷凝水進(jìn)而導(dǎo)致打火失效的故障原因，但從故障件分解情況分析，不排除外部水分進(jìn)入的可能，包括雨水和冷凝水。

1）雨水進(jìn)入分析

該裝備在發(fā)生故障前其所在地區(qū)出現(xiàn)過(guò)強(qiáng)降雨，打開(kāi)上蓋板也發(fā)現(xiàn)裝備內(nèi)部有雨水。雨水進(jìn)入后會(huì)滲入扭力盒腔體進(jìn)而滲入電源盒連接器，導(dǎo)致連接器插針短路打火。

2）冷凝水的生成和進(jìn)入分析

雷達(dá)環(huán)控系統(tǒng)工作在返回模式時(shí)，熱氣活門全部打開(kāi)，冷氣活門開(kāi)度較?。ㄒ话阍?0°左右），此時(shí)混合腔空氣溫度可以保持在30℃以上，從而為設(shè)備保溫除去冷凝水?；旌虾蟮臒峥諝饨?jīng)前進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)流量分配后進(jìn)入電源盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源模塊的控溫保溫，但電源盒所處的空間無(wú)法受到熱空氣的正面吹拂。當(dāng)環(huán)境溫度交變時(shí)，潮氣會(huì)在扭力盒上蓋板表面形成少量冷凝水，由于該電源在安裝時(shí)有3°傾角，冷凝水會(huì)沿蓋板表面向前流動(dòng)，當(dāng)冷凝水流到封膠表面時(shí)，會(huì)沿線纜方向滲入到腔體內(nèi)部。如通風(fēng)不及時(shí)，將加劇此類危害。

5 故障機(jī)理分析

綜上分析結(jié)果，得出如圖8所示的故障機(jī)理：

1）ECU插件及傳感器故障是由電源盒連接器短路引起；

2）短路造成連接器各插針之間局部有電流通過(guò)，長(zhǎng)時(shí)間局部電流引起溫升，溫升加大電流，進(jìn)而燒毀連接器；

3）水汽造成連接器各插針之間短路；而無(wú)空調(diào)車加劇了短路部位溫度升高的危害；

4）線纜走向不合理，形成了間隙，為水和凝露進(jìn)入連接器提供了通道；

5）沒(méi)有空調(diào)車吹風(fēng)，水汽和凝露無(wú)法被帶走，加速了水汽和凝露的滲入。

雨水或冷凝水積聚到一定量后，沿著電源盒連接器的導(dǎo)線方向滲入插座；長(zhǎng)時(shí)間工作后導(dǎo)致插針短路、燒毀插座，導(dǎo)致270V高壓竄入分系統(tǒng)的溫度傳感器、ECU分機(jī)等，造成溫度傳感器、ECU等故障；同時(shí)T/R組件、波控單元等分系統(tǒng)因無(wú)電源，無(wú)法正常工作；雷達(dá)系統(tǒng)則喪失發(fā)現(xiàn)、跟蹤目標(biāo)的能力。

6 預(yù)防措施

為了杜絕隱患，保證大修的質(zhì)量，對(duì)于該電源的修理加入以下流程：

1）對(duì)大修的雷達(dá)，打開(kāi)裝備兩側(cè)12塊底蓋板，抽出A、B面各12塊電源，檢查各連接器插頭和插座外觀及插針（孔）的通斷，并測(cè)試其對(duì)地電阻，對(duì)于不符合要求的組件立即進(jìn)行修理測(cè)試，更換有隱患的連接器；

2）清除24個(gè)電源盒連接器上的所有封膠，對(duì)電纜引出部分進(jìn)行2次90°彎折后，重新灌膠；保證電纜過(guò)孔處，消除水沿電纜芯線流入灌封膠的可能性；

3）對(duì)于24個(gè)電源，在連接器270V（+）芯上，安裝O型絕緣密封墊圈，插頭與插座接插到位，密封圈將插針間隔離，避免“連接面”處因有水或水汽造成插針間的短路。

參考文獻(xiàn)

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