機(jī)載電源切換對ARINC825總線接口芯片的損傷研究

李 瑤， 陳競強(qiáng)， 白文霞， 許諾琪

(航空工業(yè)西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西 西安 710075)

CAN(Controller Area Network)總線是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一，最初僅作為汽車環(huán)境中的通信應(yīng)用于車載電子控制裝置交換信息[1]。隨著CAN總線技術(shù)日趨成熟，CAN總線被逐步應(yīng)用在航空器中。在CAN總線的航空應(yīng)用中，CAN Aerospace協(xié)議與ARINC825協(xié)議最具有代表性，其中ARINC825協(xié)議是CAN總線在提高了通信協(xié)調(diào)度、完整性協(xié)議、冗余設(shè)計(jì)等技術(shù)環(huán)節(jié)后形成的，廣泛應(yīng)用在機(jī)載航空電子系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)傳輸中[2-4]。因此，總線技術(shù)對機(jī)載系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信、設(shè)備運(yùn)行控制和監(jiān)視，乃至航空器運(yùn)行和安全至關(guān)重要，是保障機(jī)載系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定可靠傳輸?shù)臉蛄篬5-6]。

隨著系統(tǒng)級芯片(System on Chip,SoC)架構(gòu)在機(jī)載集成電路的逐漸使用，將片上數(shù)據(jù)總線融入機(jī)載芯片設(shè)計(jì)也變得越發(fā)常見[7]，包括現(xiàn)役機(jī)載設(shè)備使用的ARINC825總線接口芯片。

在航空現(xiàn)代化飛速發(fā)展的今天，機(jī)載設(shè)備電氣化程度越來越高，機(jī)載各電氣設(shè)備對供電系統(tǒng)的依賴也越來越強(qiáng)，電源系統(tǒng)需要滿足不同工況的供電需求，不同的使用工況對應(yīng)不同的電源供電組合，因此機(jī)載電源會(huì)根據(jù)飛機(jī)使用實(shí)際工況通過電源切換裝置進(jìn)行電源切換。

近年來，我國某型飛機(jī)在長期使用過程中出現(xiàn)搭載的ARINC825總線接口芯片頻發(fā)損傷故障導(dǎo)致CAN通信失效，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。文獻(xiàn)[8]提出了總線有可能因輸入端電源不穩(wěn)定或總線浪涌脈沖造成損壞，所提出的損傷故障的根本原因未進(jìn)行明確定位和試驗(yàn)驗(yàn)證，不具備絕對的借鑒意義。而筆者綜合分析了ARINC825總線外場使用期間發(fā)生的多起總線接口芯片損傷故障的數(shù)據(jù)和記錄參數(shù)，確定了ARINC825總線接口芯片損傷故障與機(jī)載電源切換過程高度相關(guān)。因此，有必要對ARINC825總線接口芯片損傷故障提出合理可行的改進(jìn)措施，以解決供電異常導(dǎo)致的芯片損傷，保障機(jī)載設(shè)備的安全使用。

文獻(xiàn)[8]提出了可采用隔離方法防護(hù)避免總線接口損壞的措施，但提出的隔離防護(hù)設(shè)計(jì)未能從根本上完全解決外場中的實(shí)際問題，故障點(diǎn)未得到消除，仍存在隱患；文獻(xiàn)[9]提出ARINC825總線收發(fā)接口各自通過限流電阻與ARINC825總線相連，保護(hù)收發(fā)接口免受過流的沖擊，同時(shí)提出在兩根ARINC825總線輸入端與地之間分別接一個(gè)防雷擊管，可在瞬變干擾時(shí)起到一定的保護(hù)作用，但電阻限流無法從根本上解決ARINC825收發(fā)接口受過流沖擊造成的故障，且增加防雷擊管也只是暫時(shí)提供了一個(gè)“泄放點(diǎn)”，一旦達(dá)到防雷擊管的使用上限，ARINC825總線仍會(huì)因瞬變干擾導(dǎo)致?lián)p傷。

本文以解決總線接口芯片損傷故障為目標(biāo)，以故障分析和試驗(yàn)驗(yàn)證為主要方法，結(jié)合電源切換的影響分析，提出一種以總線接口芯片運(yùn)行狀態(tài)為研究對象，以總線接口芯片的DC-DC電源模塊特性為研究重點(diǎn)，以消除DC-DC電源模塊輸出的電壓尖峰為改進(jìn)方向的故障分析和解決方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證及對比分析證明了該方法可以解決CAN總線接口芯片損傷故障，保障CAN總線通信正常和飛機(jī)使用的安全性、可靠性。

1 故障概述

近年來，我國某型飛機(jī)出現(xiàn)多起CAN總線通信故障，更換配電控制裝置后，故障未消除，更換ARINC825總線接口芯片后故障消除。因此，故障定位為ARINC825總線接口芯片損傷。對多起損傷的ARINC825總線接口芯片進(jìn)行失效分析后，發(fā)現(xiàn)接口芯片表面失效形貌均表現(xiàn)為大能量大電流造成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)燒毀。對故障發(fā)生起源進(jìn)行追溯后，發(fā)現(xiàn)該類故障均發(fā)生在地面檢查維護(hù)期間，且通常發(fā)生在機(jī)載電源切換后。結(jié)合ARINC825總線接口芯片損傷失效分析結(jié)果，可以明確ARINC825總線接口芯片頻發(fā)損傷故障是由于DC-DC電源模塊供電異常導(dǎo)致，且該過程與機(jī)載電源切換過程相關(guān)。ARINC825總線接口芯片燒毀形貌如圖1所示。

圖1 ARINC825總線接口芯片燒毀形貌

2 故障機(jī)理分析

機(jī)載電源系統(tǒng)由一次電源、應(yīng)急電源、二次電源及外界電源插座等組成，應(yīng)用最廣泛的一次電源為28 V低壓直流電源，一次電源將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的電源變換成機(jī)載的28 V主供電電源[10]。通常，在正常工作時(shí)由主電源供電；在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、故障等特殊情況下，則由外部電源供電。因此在外部電源和主電源轉(zhuǎn)換時(shí)，機(jī)械接觸器進(jìn)行電路連接轉(zhuǎn)換瞬間會(huì)出現(xiàn)短暫的接觸不穩(wěn)定過程，在該過程中出現(xiàn)短暫的電容充電浪涌電流，具體以“負(fù)脈沖”的形式體現(xiàn)?！柏?fù)脈沖”形態(tài)如圖2所示。

圖2 “負(fù)脈沖”形態(tài)

ARINC825總線提供包括鏈路端口、總線收發(fā)器、總線控制器、CPU和電源模塊等在內(nèi)的橋接通道。為了防止電磁環(huán)境對電源模塊造成損傷，采用了物理隔離，在控制器與收發(fā)器之間增加隔離器件，使相互間通過ARINC825總線光耦連接，同時(shí)為保證隔離器兩端信號的隔離效果，隔離器兩端的器件采取電氣隔離，通常選用DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)電源隔離[11-13]。ARINC825總線電路電源供電示意圖如圖3所示。

圖3 總線電路電源供電示意圖

在ARINC825總線應(yīng)用中，通過光電耦合器進(jìn)行CAN控制器和CAN收發(fā)器隔離時(shí)，系統(tǒng)需要獨(dú)立的DC-DC電源變換。DC-DC電源模塊可保證系統(tǒng)運(yùn)行電源與接口電路電源完全隔離，確保CAN總線工作的獨(dú)立性。電源模塊分為2個(gè)獨(dú)立供電的DC-DC電源模塊，其中DC-DC主電源模塊為控制器和CPU提供3.3 V和1.9 V供電，DC-DC隔離電源模塊為總線收發(fā)器提供5 V供電。

當(dāng)ARINC825總線接口供電的DC-DC隔離電源模塊輸入電壓為11～12.7 V時(shí)，DC-DC隔離電源模塊處于工作臨界狀態(tài)，一旦DC-DC隔離電源模塊長時(shí)間處于敏感電壓區(qū)，則會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰過沖，這是電源模塊產(chǎn)品拓?fù)浜退肞WM控制器決定的固有特性。若機(jī)載電源“負(fù)脈沖”的電壓深度和DC-DC隔離電源模塊臨界電壓點(diǎn)一旦吻合，同時(shí)“負(fù)脈沖”時(shí)間寬度稍長，DC-DC隔離電源模塊必然會(huì)輸出1個(gè)較高的過沖脈沖，即電壓尖峰過沖。電壓高脈沖的異?，F(xiàn)象持續(xù)一段時(shí)間后，導(dǎo)致總線接口芯片結(jié)構(gòu)燒毀，造成ARINC825總線短路失效。

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DC-DC電源模塊的過沖脈沖測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 脈沖實(shí)測圖

如圖4所示，經(jīng)實(shí)測，總線接口電路DC-DC隔離電源模塊的過沖脈沖最高可達(dá)18 V，寬度約20 ms，遠(yuǎn)高于CAN收發(fā)器供電端的耐受電壓(5.25 V)。

實(shí)際使用中，受供電設(shè)備自身特性、用電設(shè)備電容狀態(tài)和接觸器觸點(diǎn)接觸情況等因素影響，機(jī)載電源“負(fù)脈沖”的電壓深度、脈寬數(shù)據(jù)分布較為隨機(jī)。當(dāng)上電過程中的“負(fù)脈沖”不在敏感電壓區(qū)間(11～12.7 V)范圍內(nèi)時(shí)，則不會(huì)發(fā)生ARINC825總線接口芯片損傷的故障。只有“負(fù)脈沖”在DC-DC隔離電源模塊的敏感電壓區(qū)間(11～12.7 V)時(shí)，才會(huì)頻發(fā)ARINC825總線接口芯片損傷的故障。因此機(jī)載電源“負(fù)脈沖”為造成ARINC825總線接口芯片損傷故障的誘因，ARINC825總線接口電路DC-DC隔離電源模塊輸出電壓尖峰過沖是造成ARINC825總線接口芯片損傷故障的直接原因。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)機(jī)理分析結(jié)論，從ARINC825總線接口芯片耐電壓測試和負(fù)脈沖模擬測試2個(gè)方面進(jìn)行測試，以驗(yàn)證故障分析診斷結(jié)果的正確性。

3.1 芯片耐電壓測試

將ARINC825總線接口芯片按工作狀態(tài)連接，向其電源管腳注入電壓，電壓從額定電壓5 V開始，緩慢上升，直至芯片無法工作。芯片耐電壓測試原理如圖5所示。

圖5 耐電壓測試原理圖

隨機(jī)抽取3個(gè)芯片依次進(jìn)行測試，芯片測試結(jié)果如表1所示。

表1 失效電壓統(tǒng)計(jì)

由表1可知，當(dāng)輸入電壓為11～14 V時(shí)，芯片損壞。證明了DC-DC隔離電源模塊存在上電敏感電壓區(qū)間。

3.2 “負(fù)脈沖”模擬測試

采用程控電源向ARINC825總線供電，模擬實(shí)際工況的10～13 V“負(fù)脈沖”。電源模擬原理示意圖如圖6所示。

圖6 電源模擬原理示意圖

通過反復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)11～12.7 V的短暫停留(約50 ms)時(shí)，向ARINC825總線接口芯片提供工作電壓的DC-DC隔離電源模塊輸出端，本應(yīng)輸出5 V電壓，卻出現(xiàn)1個(gè)寬度為20～30 ms的脈沖，脈沖可達(dá)18 V。該脈沖同時(shí)出現(xiàn)在ARINC825總線接口芯片的電壓輸入端，隨后ARINC825總線停止工作，ARINC825總線接口芯片失效，測試結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 模擬輸入

圖8 輸出脈沖

圖9 輸出脈沖(局部放大)

向ARINC825總線DC-DC隔離電源模塊模擬輸入10～13 V電壓時(shí)，其特征如圖7所示；DC-DC隔離電源模塊在收到供電 “負(fù)脈沖”時(shí)，輸出一個(gè)過沖脈沖，其特征如圖8所示；DC-DC隔離電源模塊過沖脈沖局部特征如圖9所示。

根據(jù)模擬測試的試驗(yàn)驗(yàn)證可以明確，ARINC825總線接口芯片的DC-DC隔離電源模塊受機(jī)載電源“負(fù)脈沖”(10～13 V)的影響，向ARINC825總線接口芯片的供電端輸出了幅度較高的電壓脈沖(最高可達(dá)18 V)，該脈沖遠(yuǎn)高于ARINC825總線接口芯片供電端的耐受電壓(5.25 V)，致使ARINC825總線接口芯片損壞，無法進(jìn)行CAN通信。

4 改進(jìn)措施分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)措施分析

依據(jù)機(jī)理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可知ARINC825總線接口芯片頻發(fā)損傷是由機(jī)載電源在轉(zhuǎn)換過程中的“負(fù)脈沖”和ARINC825總線接口芯片DC-DC隔離電源模塊的不穩(wěn)定工作點(diǎn)共同導(dǎo)致的。因此，為避免ARINC825總線接口芯片損傷故障頻發(fā)，有消除機(jī)載電源在轉(zhuǎn)換過程中的“負(fù)脈沖”和DC-DC隔離電源模塊電壓尖峰過沖2個(gè)解決途徑。但消除機(jī)載電源在轉(zhuǎn)換過程中的“負(fù)脈沖”所需改裝巨大，代價(jià)高昂，而消除DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，改裝少，易于實(shí)現(xiàn)。這是由于當(dāng)機(jī)載電源輸入10～13 V電壓區(qū)間時(shí)，DC-DC隔離電源模塊的輸入即為其極限工作電壓11～12.7 V區(qū)間。輸入電壓在10～13 V的電壓區(qū)間內(nèi)長時(shí)間維持或振蕩時(shí)，DC-DC隔離電源模塊會(huì)輸出的高達(dá)18 V的電壓尖峰過沖，其脈沖電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出ARINC825總線接口芯片的供電電壓額定值5 V和芯片耐受電壓5.25 V，致使ARINC825總線接口芯片損壞，這是由DC-DC隔離電源模塊產(chǎn)品拓?fù)浜退肞WM控制器的固有特性決定的。

DC-DC隔離電源模塊采用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是最簡單且不需要磁芯復(fù)位電路的隔離變換器結(jié)構(gòu)，在輸入電壓范圍寬的條件下，其占空比變化幅度最小[13]。所使用的PWM控制器需要外部供電或者靠自身內(nèi)部偏置電路供電工作，一般采用穩(wěn)壓電路供電[14]。輸入電壓經(jīng)過濾波后通過供電電路使PWM控制器工作，PWM控制器根據(jù)隔離反饋信號調(diào)整輸出的脈沖寬度來控制開關(guān)管的通斷，輸入電壓被開關(guān)管斬波成具有固定頻率的矩形波電壓，隨后經(jīng)變壓器傳遞后再經(jīng)整流管整流濾波達(dá)到穩(wěn)定的直流輸出。

因此，為了消除DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，就需要對DC-DC隔離電源模塊使用的PWM控制器進(jìn)行調(diào)整。

4.2 PWM控制器供電線路改進(jìn)

為了消除DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，將DC-DC隔離電源模塊供電線路更改為穩(wěn)壓二極管串聯(lián)穩(wěn)壓供電線路，使輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓保持穩(wěn)定，即保證PWM控制器的供電電壓的建立線性上升過程中其供電電壓不會(huì)出現(xiàn)震蕩。

改進(jìn)前后供電線路如圖10所示，其中改進(jìn)前DC-DC隔離電源模塊供電線路采用基準(zhǔn)源穩(wěn)壓供電線路，其線路圖如圖10(a)所示；改進(jìn)后DC-DC隔離電源模塊供電線路采用穩(wěn)壓二極管串聯(lián)穩(wěn)壓供電線路，其線路圖如圖10(b)所示。

圖10 PWM控制器改進(jìn)前后供電線路圖

PWM控制器的供電電壓建立圖如圖11所示，其中DC-DC隔離電源模塊改進(jìn)前的供電電壓建立圖如圖11(a)所示，緩慢加電過程中，供電電壓明顯出現(xiàn)震蕩；DC-DC隔離電源模塊改進(jìn)后的供電電壓建立圖如圖11(b)所示，緩慢加電過程中，供電電壓較為穩(wěn)定。

4.3 PWM控制器改進(jìn)

將原啟動(dòng)電壓為8.5 V的PWM控制器更換為啟動(dòng)電壓為5 V的PWM控制器，能夠在外部輸入電壓未到達(dá)可能發(fā)生振蕩的11～12.7 V區(qū)間時(shí)，使DC-DC隔離電源模塊完成啟動(dòng)，使輸出電壓穩(wěn)定建立，且輸出電壓不會(huì)出現(xiàn)過沖。供電電壓上升特征如圖11(b)所示。

改進(jìn)前DC-DC隔離電源模塊采用的是UC184X系列PWM控制器，啟動(dòng)電壓為8.5 V。改進(jìn)后DC-DC隔離電源模塊采用啟動(dòng)電壓更低的UC180X系列PWM控制器，啟動(dòng)電壓為5 V。

圖11 供電電壓建立圖(緩慢加電)

4.4 反饋環(huán)路改進(jìn)

改進(jìn)后的DC-DC隔離電源模塊反饋環(huán)路設(shè)計(jì)取消PWM控制器內(nèi)部誤差放大器補(bǔ)償，反饋環(huán)路建立閉環(huán)時(shí)間較快，PWM控制器反饋接收端電壓上升到基準(zhǔn)電壓時(shí)很快就被限制，并很快被拉低，因此當(dāng)PWM控制器輸出脈沖時(shí)，輸出電壓不會(huì)出現(xiàn)過沖。

DC-DC隔離電源模塊改進(jìn)前后反饋環(huán)路如圖12所示，改進(jìn)前反饋環(huán)路如圖12(a)所示；改進(jìn)后反饋環(huán)路如圖12(b)所示。

圖12 改進(jìn)前后反饋環(huán)路圖

改進(jìn)前后反饋電壓與反饋建立圖如圖13所示，其中改進(jìn)前DC-DC隔離電源模塊反饋環(huán)路設(shè)計(jì)使用PWM控制器內(nèi)部誤差放大器補(bǔ)償，緩慢加電過程中反饋電壓與反饋建立的特征如圖13(a)所示；改進(jìn)后DC-DC隔離電源模塊反饋環(huán)路設(shè)計(jì)未使用PWM控制器內(nèi)部誤差放大器補(bǔ)償，取消反饋環(huán)路可以避免模塊存在“開環(huán)”工作狀態(tài)，緩慢加電過程中反饋電壓與反饋建立的特征如圖13(b)所示。

圖13 改進(jìn)前后反饋電壓與反饋建立圖(緩慢加電)

通過改進(jìn)PWM控制器供電線路、調(diào)整PWM控制器及取消反饋環(huán)路的內(nèi)部誤差放大器補(bǔ)償，消除了DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，使得供電電壓建立過程中不出現(xiàn)震蕩，保證了后級負(fù)載電路的正常運(yùn)行。

4.5 改進(jìn)措施驗(yàn)證及結(jié)果分析

通過進(jìn)行改進(jìn)前后DC-DC隔離電源模塊敏感段電壓測試和4～27 V全部欠壓段測試，驗(yàn)證改進(jìn)后的DC-DC隔離電源模塊在敏感電壓區(qū)間和極端條件下，不會(huì)出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象。

DC-DC隔離電源模塊敏感電壓測試試驗(yàn)結(jié)果如圖14和圖15所示。改進(jìn)后DC-DC隔離電源模塊在輸入電壓為11～12.7 V的敏感電壓段內(nèi)無過沖，其特征如圖14所示；改進(jìn)后DC-DC隔離電源模塊在輸入電壓為極限低值4 V時(shí)的特征如圖15所示，雖然已無法達(dá)到額定輸出，但上電過程中不會(huì)造成輸出電壓過沖，可驗(yàn)證其工作模式的安全性。

通過試驗(yàn)結(jié)果可以明確改進(jìn)后DC-DC隔離電源模塊在輸入電壓為11～12.7 V的敏感電壓段內(nèi)無過沖。在輸入電壓為極限低值4 V時(shí)，雖然已無法達(dá)到額定輸出，但上電過程中不會(huì)輸出電壓過沖的現(xiàn)象，可驗(yàn)證其工作模式的安全性。因此，改進(jìn)后的DC-DC隔離電源模塊在機(jī)載電源“負(fù)脈沖”的影響下，不會(huì)使輸出電壓過沖，損傷后級負(fù)載電路，導(dǎo)致ARINC825總線接口芯片損傷。

圖14 DC-DC隔離電源模塊改進(jìn)前與改進(jìn)后上電對比(敏感電壓段)

圖15 DC-DC隔離電源模塊改進(jìn)前與改進(jìn)后上電對比(極低電壓(4 V))

5 結(jié)束語

針對某型飛機(jī)使用維護(hù)過程中偶發(fā)電源切換導(dǎo)致ARINC825總線接口芯片失效的故障進(jìn)行了深入的機(jī)理分析和研究。通過芯片失效分析、故障機(jī)理分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，定位了該故障的根本原因。在充分權(quán)衡機(jī)載設(shè)備特點(diǎn)、裝備特性和故障本質(zhì)后，制定了切實(shí)可行的改進(jìn)措施。經(jīng)地面測試和空中驗(yàn)證，證明該改進(jìn)措施合理有效，從根本上解決了長期困擾該裝備的使用維護(hù)困局，同時(shí)對同類裝備的開發(fā)研制具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。