SR20G3飛機MCU板級構造及內(nèi)部電路原理研究

李光耀 蔣平清

摘要：本文對SR20G3飛機的MCU（主控制單元）的板級構造及內(nèi)部詳細電路原理進行了深入探究，分析了相關排故中的理論誤區(qū)，可為SR20G3飛機電源系統(tǒng)的進一步研究提供參考。

關鍵詞：SR20G3；主控制單元；電路原理

Keywords：SR20G3；MCU；circuit principle

1 SR20G3飛機電源系統(tǒng)簡介

SR20G3飛機是美國西銳公司設計的全復合材料飛機，該飛機采用了符合通用飛機設計慣例的28V直流電源系統(tǒng)，主要由發(fā)動機防火墻前部左側的MCU、發(fā)動機前部由螺旋槳皮帶驅動的1號直流發(fā)電機（ALT1）、發(fā)動機后部由發(fā)動機齒輪驅動的2號直流發(fā)電機（ALT2）、發(fā)動機防火墻右前方的1號電瓶（BAT1）、飛機尾艙的2號電瓶（BAT2）及分布在整個機身上的電力傳輸線路和用電設備構成。

2 MCU板級構造

SR20G3飛機的MCU由一張多層 PCB板和板載的各種保險絲、二極管、繼電器、電容、電阻、調(diào)壓器、匯流條、插頭、插座、接線柱等構成，圖1為繪制的電路板內(nèi)部構造圖，圖中的標注為結合線路圖手冊和電路板實際測量所得，使用該圖可以大大提高故障診斷時板載元器件的定位效率。該MCU的電路板及板載的主要元器件在出廠時涂上了密封保護膠，有一定的防水、密封、保護作用。

3 MCU內(nèi)部電路詳圖及原理分析

MCU內(nèi)部有三個主匯流條，分別為Main Dist Bus1、Main Dist Bus2、Essential Dist Bus，其余匯流條分布在飛機的斷路器板上，下文對MCU交聯(lián)的主要外圍器件及與MCU的交聯(lián)情況和MCU內(nèi)部電路進行深入探究。

SR20G3飛機維護手冊、線路圖手冊中，雖然對MCU內(nèi)部的電路有所描述，但內(nèi)容分散且簡略，未描述主要器件的性能、在電路中的具體位置及其與上下游電路的連接關系、電路板內(nèi)部插針定義等，這給SR20G3飛機整個電源機構及其原理的深入分析和故障診斷造成了理論上的障礙。本文基于飛機手冊和對MCU實際電路板的測量研究，繪制出MCU的內(nèi)部電路詳圖，如圖2所示。

當BAT1的開關閉合時，BAT1的繼電器控制線圈上電，繼電器吸合，BAT1的電流通過BAT1的電流采樣電阻、BAT1繼電器及125A保險到達Main Dist Bus1匯流條。BAT1繼電器的輸出端與起動機繼電器的輸入端相連，此時如果將鑰匙擰至起動位，則起動機繼電器吸合，電能直接從BAT1繼電器的輸出端到達起動機，即使125A保險燒壞也不影響發(fā)動機起動，GEA通過采集BAT1采樣電阻兩端電壓，可知BAT1的輸入或者輸入電流。值得一提的是，GEA的采樣負端連接BAT1近端，正極連接BAT1遠端，因此當BAT1輸出電流（即放電）時，MFD上的BAT1電流為負，BAT1輸入電流（即充電）時，BAT1電流為正。外部電源繼電器的輸出端連接在BAT1繼電器的輸入端，控制端也連接在BAT1的開關上。這樣，即使飛機連接了外部電源插頭，如果BAT1的開關不打開，外部電源的電流仍然無法進入MCU，從而避免了飛機非受控上電，提高供電安全裕度。

BAT1電流在進入Main Dist Bus1匯流條的同時，會通過80A保險絲及型號為HF135NH40PBF的超快恢復二極管到達Main Dist Bus2，還會通過50A的保險絲和相同型號二極管到達Essential Bus。如果打開ALT1的開關，ALT1的勵磁模塊上電并向ALT1提供勵磁，發(fā)動機達到指定轉速以上，ALT1開始正常發(fā)電。勵磁模塊會實時監(jiān)測Main Dist Bus1的電壓，并調(diào)整勵磁電流讓Main Dist Bus1的電壓達到28V，此時Main Dist Bus2與Essential Bus均由ALT1供電，如果BAT1的電壓小于28V則自行充電。

打開ALT2的開關，ALT2的勵磁模塊上電并向ALT2提供勵磁電流，ALT2的勵磁模塊實時監(jiān)測Main Dist Bus2的電壓。當發(fā)動機轉速合適時，勵磁模塊實時調(diào)整勵磁電流，令Main Dist Bus2的電壓為28.75V，因Main Dist Bus1與Main Dist Bus2之間及其與Essential Bus之間均有二極管存在，且Main Dist Bus2的匯流條電壓大于Main Dist Bus1的匯流條電壓，所以此時Main Dist Bus1的電能無法到達Main Dist Bus2和Essential Bus，ALT1的負載將減小，ALT1勵磁電流需降低才能繼續(xù)將Main Dist Bus1的電壓維持在28V。ALT1與ALT2的電流采樣電阻均與GEA通過2A保險絲連接，當ALT輸出電流時，MFD上的電流指示為正。因此，如果發(fā)動機未起動時MFD上的ALT有電流顯示，或發(fā)動機運轉時ALT電流無指示或指示異常，應根據(jù)圖2，先排除器件及連接故障，再使用G1000的電流零點校準功能進行電流校準。

4 故障排除中的理論誤區(qū)

故障排除中存在以下幾個理論誤區(qū)，分別進行探討。

1）誤區(qū)一：認為二極管導通后正向壓降為定值。

該MCU內(nèi)部的四個主要二極管型號均為HF135NH40PBF，開啟電壓約為0.36V。但根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中繪制的伏安特性曲線，二極管結溫在25℃、正向為電流80A時，其設計正向壓降應為1.45V（見圖3）而不是0.36V。0.36V只是二極管的開啟電壓，即二極管內(nèi)部PN結內(nèi)部電場被反向消除的最小電壓。二極管開啟時可以通過的電流較小，且二極管在流通相同電流下，結溫越高，管壓降越低。

2）誤區(qū)二：認為當流過保險絲的電流大于保險絲上所標注的電流時，二極管一定燒壞，不超過標注電流時，二極管不可能燒壞。

保險絲類似半導體器件，為溫敏器件，工作小環(huán)境所在溫度越高性能越差，即相同電流情況下越容易被燒斷。另外，保險絲的設計原則是可以快速切斷短路電流，但可在一定時間內(nèi)允許短時過載電流，并可通過數(shù)據(jù)手冊較為精確地查詢在何種工作環(huán)境溫度下通過多大電流時在多少秒內(nèi)安全燒斷。最后，為了避免因工作環(huán)境溫度變化等因素導致非正常燒斷影響設備正常使用，一般將保險絲性能降檔25%使用，既能滿足安全需求，又能防止保險絲經(jīng)常性的非正常燒斷。保險絲被燒斷后不應只做簡單更換就直接上電測試或放行飛機，必須先根據(jù)保險絲的燒斷痕跡判斷和排除短路等電路故障后再進行更換，否則可能造成飛機設備損傷。

3）誤區(qū)三：繼電器的控制線圈只有在飛機電壓正常時才能吸合繼電器，一旦電壓降低至正常電壓以下，繼電器將斷開。

經(jīng)實際測試，BAT1繼電器的型號為24214，作動線圈電阻約67Ω，開啟電壓約為12.6VDC，最低保持電壓約為6.5VDC，說明在排除振動、溫度等因素影響后，該繼電器理論上只需12.6VDC左右的控制電壓即可接通。但24～28V的控制電壓可以令繼電器的接通更牢靠，且只有在控制電壓降低至6.5VDC左右及以下時，繼電器才會斷開。

5 總結

根據(jù)繪制的MCU內(nèi)部電路詳圖，對MCU電路板及板載元器件和電路控制原理進行了介紹，并對維修工作中存在的幾種排故誤區(qū)舉例說明，以期對SR20G3飛機的電源系統(tǒng)的原理深入研究和故障診斷起到一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] Cirrus公司. SR20G3飛機維護手冊B9版[Z].

[2] Cirrus公司. SR20G3線路圖手冊B9版[Z].

[3] LittleFuse公司. Littelfuse_ Fuseology_ Selection_Guide [Z].

[4] VISHAY公司. HFA135NH40PBF_ datasheet [Z].

[5] RoHS公司. J1181CS24VDC.60_ datasheet [Z].