飛控計算機交流26V 800Hz無輸出故障分析

■ 王鑫瑋/石家莊海山實業(yè)發(fā)展總公司

1 故障描述

某架飛機進行飛控系統(tǒng)調試，速率陀螺26V在A相輸入電壓檢測點，發(fā)現(xiàn)交流26V800Hz輸出只有3.2Vrms；速率陀螺26V在B相輸入電壓檢測點，發(fā)現(xiàn)交流26V800Hz輸出只有3.3Vrms；斷開飛控計算機的機上電纜，直接從飛控計算機插頭進行測量，交流輸出仍然不正常。分別對幾個輸入電壓檢測點及輸出電壓進行檢測，輸出電壓分別為3.1V、3.2V、4.1V，判斷飛控計算機電源故障。將產品安裝在飛控計算機測試設備上，根據(jù)飛控計算機修理工藝，按照電源測試方法對產品報故性能進行檢查，技術要求應為26V800Hz，實際輸出只有3.2V，故障復現(xiàn)。開箱更換電源模塊后再次進行試驗，故障消失，故障定位為電源模塊。

2 故障分析

2.1 問題定位

故障發(fā)生后，先后進行了外場故障確認、故障件返修理單位通電檢查、故障模塊定位、故障元器件定位，準確定位了故障點和失效模式。

1）模擬試驗確定為飛控計算機內部故障

故障件返回修理單位后，使用現(xiàn)有設備對飛控計算機進行測試，故障復現(xiàn)。斷開飛控計算機插頭，再次通過插頭直接對故障點進行測量，故障依然存在，結論是飛控計算機內部電源電路故障。

2）內部檢查確定故障點

確認是飛控計算機故障后，繪制故障樹（見圖1），制訂檢查方案，開展試驗檢測、分解檢查排故等工作。

圖1 故障樹

a.整機故障排查：對飛控計算機整機通電，飛控計算機26V800Hz無輸出，斷開電纜，通過飛控計算機插頭直接對該測試項目進行測量，發(fā)現(xiàn)依然無電壓輸出。下電后打開產品機箱，互換兩通道電源，故障跟隨電源模塊進入對應通道，由此判斷故障點在電源模塊中。

b.電源模塊故障排查：電源模塊內部產生26V800Hz的電路由800Hz組件和控制組件組成，通過板件互換確認為控制組件故障。

c.失效元器件確認：采用基本測量法進行排查。首先，對關鍵器系列二極管等依次進行靜態(tài)阻抗測量，未發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，靜態(tài)測量未確認失效元器件；再次，對上述元器件進行動態(tài)測量，電源通電后分別對上述元器件的管腳進行對地電壓測量，發(fā)現(xiàn)關鍵器各管腳對地電壓較為正常，但某一器件兩管腳對地電壓異常，只有0.5V，正常電壓分別應為2.5V和26V；更換該二極管后對電源模塊26V800Hz進行測量，電源輸出正常。對失效的二極管進行離線靜態(tài)阻抗測量，兩管腳之間阻值只有75Ω，二極管失效形式表現(xiàn)為短路。上述靜態(tài)阻抗在線檢查過程中未發(fā)現(xiàn)該二極管失效的可能原因是板件表面噴涂過三防漆，測量時表筆未將漆層扎透或是在扎針的頂部附著了臟東西，導致測量結果不準確。最終定位故障點：穩(wěn)壓二極管擊穿失效，導致飛控計算機交流26V800Hz無輸出故障。此次排故中利用X射線分析儀繪制部分電路對進行故障分析非常有幫助。

2.2 機理分析

1）飛控計算機二極管失效導致交流26V800Hz無輸出故障分析

利用X射線分析儀繪制故障電路板部分電路原理圖簡圖，如圖2所示，從中可以看出，該部分電路為精穩(wěn)壓電路，精密并聯(lián)穩(wěn)壓器，調壓范圍為2.5～36V，工作電流范圍0.1～100mA，穩(wěn)壓二極管組成鉗位保護電路。正常工作時1腳輸入基準電壓2.5V，2腳輸出26V電壓，再經過關鍵器將26V進行一級功率放大，使電流滿足負載需求。電阻組成負反饋網(wǎng)絡，用于調整輸出電壓1腳的輸入基準電壓，將鉗位電壓穩(wěn)定在2.5V。由于穩(wěn)壓二極管擊穿，等效為導線將電路相連，致使該處鉗位穩(wěn)壓電路失效，輸入電壓無法精確穩(wěn)定在2.5V，實際測量為0.5V，從而導致精密穩(wěn)壓管的輸出只有3.2V。

圖2 故障部分電路原理圖簡圖

2）導致穩(wěn)壓二極管失效的可能原因分析

a.過電應力失效。在有感性負載的供電電源或電子設備處于開關瞬間、交流電源的電壓不穩(wěn)定或接地不良的情況下，半導體器件會受到一種隨機的短時間高壓或強電流的沖擊，這種功率遠遠超過器件的額定功率引起器件芯片過電應力損傷，甚而導致器件的擊穿失效。過電應力主要有過壓應力失效和過電流失效兩種模式。

過壓應力失效模式：過壓擊穿主要是指二極管在反向工作過程中，二極管兩端所施加的反向電壓超出了二極管的承受極限，造成二極管芯片邊緣電源擊穿，甚至形成局部熱點，發(fā)生熔融短路或開路的失效模式。

過電流失效模式：二極管在正向工作過程中所通過的電流（包含瞬態(tài)電流）超出了二極管承受的極限，使二極管管芯局部功率損耗超限，產生熱點，導致芯片局部熔融甚至燒毀的現(xiàn)象。

過壓應力和過電流是本次故障的主要起因，在26V800Hz的產生電路中存在感性元器件，電路在啟動和關斷過程中穩(wěn)壓二極管主要承受波動電壓和瞬態(tài)電流的沖擊，二極管PN結最終熔融黏結失效。

b.長時間工作損耗。長時間工作后，二極管芯片結邊緣焊料容易形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉降而逐漸分離，結邊緣的散熱功能降低，工作結溫度逐漸增大，二極管在啟動、關斷和網(wǎng)絡電壓不穩(wěn)定時結溫度超出自身的承受能力而燒毀。

c.靜電損傷。潛在性靜電損傷僅對二極管的內部造成了輕微損傷，器件的電氣參數(shù)仍然合格或者變化不大，但是器件的過電應力能力已經明顯變弱，或者使用壽命明顯縮短，經過一段時間的工作后進一步退化，直至在使用中無預兆失效。

3 結論

綜上所述，不論是過電應力、長時間工作損耗還是靜電釋放所導致的二極管短路失效，歸根結底都是二極管PN結的燒蝕熔融。