某型計(jì)算機(jī)組件輸出功能故障分析及改進(jìn)

師 維，白夢(mèng)嬈

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710054；2.西安航天精密機(jī)電研究所，陜西 西安 710199）

0 引 言

計(jì)算機(jī)組件是某型控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是接收和處理接收機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)和信息，產(chǎn)生下一級(jí)各項(xiàng)實(shí)施電路所需的控制信號(hào)和必要的時(shí)間基準(zhǔn)[1]，其功能的正常為某型控制系統(tǒng)的正常工作提供了基礎(chǔ)保證。近期，在某型控制系統(tǒng)產(chǎn)品返廠檢修中，出現(xiàn)了“時(shí)標(biāo)信號(hào)”輸出異常的現(xiàn)象。經(jīng)原理分析和檢測(cè)，是由于計(jì)算機(jī)組件輸出功能異常，導(dǎo)致輸出的間隔脈沖信號(hào)（時(shí)標(biāo)信號(hào)）超差，進(jìn)而影響使用。具體故障現(xiàn)象為：計(jì)算機(jī)組件第1 通道輸出的間隔脈沖信號(hào)異常。本文針對(duì)此現(xiàn)象，對(duì)模塊工作機(jī)理及故障原因進(jìn)行了分析，對(duì)模塊故障點(diǎn)進(jìn)行性能及應(yīng)用上的分析。

1 原理分析

計(jì)算機(jī)組件包含8 路輸出通道，這8 路通道由獨(dú)立且完全相同的電路組成，其中第1 通道為間隔脈沖輸出通道。單通道電路原理圖如圖1 所示。

圖1 單通道電路原理圖

從圖1 可知：當(dāng)前級(jí)光耦PS2801-4 截止時(shí)，三極管V3發(fā)射結(jié)反偏，三極管截止；當(dāng)前級(jí)光耦PS2801-4 導(dǎo)通時(shí)，三極管V3發(fā)射結(jié)正向?qū)?，基極電流約為0.5 mA；當(dāng)集電極負(fù)載電流小于50 mA，三極管工作在飽和區(qū)，CE 飽和壓降接近于0 V[2]。經(jīng)分析，通道電路原理與模塊應(yīng)用情況合理，滿足由生產(chǎn)廠家提供的該型號(hào)三極管2SA9015 的規(guī)范要求（詳細(xì)參數(shù)見表1 所列），因此正常使用不會(huì)導(dǎo)致通道輸出異常。

表1 三極管2SA9015 最大額定值

2 故障排查及分析

2.1 故障排查

經(jīng)測(cè)試，本故障組件第1 通道（間隔脈沖）的輸出信號(hào)異常，將組件開殼去膠后，觀察到第1 通道對(duì)應(yīng)的三極管V3塑封外殼表面有明顯變形。用萬用表測(cè)量第1 通道上的電阻阻值、電容的通斷，以及三極管V3（2SA9015）的EB、BC結(jié)導(dǎo)通電壓和阻值，發(fā)現(xiàn)第1 通道上三極管V3（2SA9015）的EB 結(jié)電壓和電阻值異常，其他參數(shù)器件均正常[3]。相關(guān)測(cè)試值見表2 所列。

表2 第1 通道測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，三極管V3（2SA9015）的損壞直接導(dǎo)致了“間隔脈沖”信號(hào)的輸出異常。將失效的三極管V3拆下后，發(fā)現(xiàn)三極管V3底部PCB 板存在燒灼損毀現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 組件PCB 板損壞實(shí)物圖

2.2 三極管失效原因分析

2.2.1 三極管失效故障樹

從元器件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、外部電應(yīng)力、操作使用等方面分析[4]可能導(dǎo)致三極管損壞失效的各個(gè)環(huán)節(jié)，建立故障樹如圖3 所示。

圖3 三極管損壞失效故障樹

根據(jù)故障樹可知，導(dǎo)致三極管損壞的可能底層事件分別為：（1）X1：器件質(zhì)量問題；（2）X2：測(cè)試操作不當(dāng)；（3）X3：焊接問題；（4）X4：回流焊溫度過高；（5）X5：異常電應(yīng)力；（6）X6：操作使用不當(dāng)。

2.2.2 故障因素分析

（1）器件質(zhì)量問題分析

本組件所用三極管（2SA9015）在設(shè)計(jì)階段及批產(chǎn)階段均選用軍用質(zhì)量等級(jí)器件，從軍用元器件生產(chǎn)廠家采購。經(jīng)查，所用三極管（2SA9015）器件的合格證及檢驗(yàn)報(bào)告齊全，同批次三極管（2SA9015）在內(nèi)部生產(chǎn)、測(cè)試、老煉篩選等各個(gè)環(huán)節(jié)和過程中，未出現(xiàn)過任何故障，表明該批次器件質(zhì)量無問題。因此X1分支可以排除。

（2）生產(chǎn)工藝問題分析

①測(cè)試不當(dāng)

測(cè)試過程中，若操作人員疏忽造成三極管集電極與電源管腳發(fā)生短接，有可能造成三極管損壞。但該組件在各個(gè)加工與試驗(yàn)環(huán)節(jié)后均進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試，且在出廠前進(jìn)行了產(chǎn)品終測(cè)并記錄了終測(cè)數(shù)據(jù)。該組件終測(cè)數(shù)據(jù)正常且滿足技術(shù)指標(biāo)。因此X2分支可以排除。

②焊接問題

若三極管焊接中出現(xiàn)管腳虛焊或者管腳短路問題，在組件出廠前就會(huì)暴露，組件將無法通過出廠前的檢測(cè)。該組件故障出現(xiàn)后打開組件未發(fā)現(xiàn)短路和虛焊現(xiàn)象。因此X3分支可以排除。

③回流焊溫度過高

經(jīng)核查，該組件PCB 回流焊工藝均嚴(yán)格按照內(nèi)部回流焊工藝進(jìn)行操作。回流焊預(yù)熱溫度為200 ℃，回流焊峰值溫度為245 ℃，符合該組件上所使用元器件的焊接溫度要求。因此，回流焊工藝不存在問題，X4分支可以排除。

（3）異常電應(yīng)力分析

計(jì)算機(jī)組件信號(hào)輸出至下一級(jí)實(shí)施電路，同時(shí)輸出至記錄電路進(jìn)行記錄。下面對(duì)與計(jì)算機(jī)組件相連接的兩路接口進(jìn)行分析。

①“間隔脈沖”信號(hào)與記錄電路接口

“間隔脈沖”信號(hào)輸出至記錄電路進(jìn)行記錄，如圖4 所示。由圖4 可以看到，正常工作條件下，記錄電路中LM124比較器輸入阻抗應(yīng)呈高阻，無論計(jì)算機(jī)中2AS9015 三極管導(dǎo)通還是截止都不會(huì)與LM124 比較器產(chǎn)生大電流回路[5]。

圖4 計(jì)算機(jī)組件與記錄電路連接

②“間隔脈沖”信號(hào)與下一級(jí)實(shí)施電路接口

“間隔脈沖”信號(hào)是計(jì)算機(jī)組件發(fā)送給下一級(jí)實(shí)施電路的，如圖5 所示。由圖5 可知，下一級(jí)實(shí)施電路中二極管V14的電流流向是從計(jì)算機(jī)組件至下一級(jí)實(shí)施電路的。當(dāng)計(jì)算機(jī)電路中的三極管V3截止時(shí)，計(jì)算機(jī)組件中的-15 V 通過限流電阻R23以及下一級(jí)實(shí)施電路中的R33、V5、V14等器件，與下一級(jí)實(shí)施電路上的0 V 和15 V 形成回路。此時(shí)流過V3的電流不會(huì)超過1.5 mA[6]。

圖5 計(jì)算機(jī)組件與下一級(jí)實(shí)施電路電氣連接

綜上所述，正常使用條件下，無論三極管控制導(dǎo)通還是截止，下一級(jí)實(shí)施電路接口電路都不會(huì)產(chǎn)生過大電流，不會(huì)使計(jì)算機(jī)組件內(nèi)的三極管損壞。經(jīng)測(cè)試，返廠的某導(dǎo)頭段各組件均合格。為了排除下一級(jí)實(shí)施電路接口異常而使計(jì)算機(jī)通路上的三極管失效的可能性，將故障計(jì)算機(jī)維修完成后安裝回原系統(tǒng)中（與同一某段配對(duì)）進(jìn)行檢查臺(tái)檢測(cè)，結(jié)果顯示某控制段與某導(dǎo)頭段功能正常，所以排除了某導(dǎo)頭段中的下一級(jí)實(shí)施電路接口異常而產(chǎn)生過大電流致使計(jì)算機(jī)通路上的三極管失效的可能性。因此X5分支可以排除。

2.2.3 操作使用分析

根據(jù)電子組件特性，若在未完全斷電的情況下，一旦對(duì)產(chǎn)品接口進(jìn)行插拔操作，瞬間會(huì)產(chǎn)生大電流，相當(dāng)于正常使用的很多倍，該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三極管額定電流。該大電流不僅具備擊穿模塊三極管V3的能力，且具備燒灼PCB的能力[7]。因此X6分支具備可能性。

2.3 故障原因分析

在返廠維修的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)組件故障率較高，基本都為模塊內(nèi)部對(duì)應(yīng)通道內(nèi)三極管失效。通過以上分析可知，計(jì)算機(jī)組件器件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝均無問題，并且與計(jì)算機(jī)連接相關(guān)接口電路也均合格，無產(chǎn)生過大電流的可能性。排除了以上原因后，可判斷為：若現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)于產(chǎn)品測(cè)試操作不熟練，或沒有按相關(guān)測(cè)試要求進(jìn)行接口插拔操作，就會(huì)在異常操作的瞬間產(chǎn)生大電流損壞系統(tǒng)電路薄弱區(qū)域。該組件設(shè)計(jì)的抗壓范圍及能力相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說稍偏薄弱，正常使用條件下性能參數(shù)穩(wěn)定，

3 采取措施

由于故障計(jì)算機(jī)組件印制板已損壞，所以更換印制板，并重新安裝元器件。經(jīng)調(diào)試、測(cè)試，故障現(xiàn)象排除。

為防止類似故障發(fā)生，嚴(yán)格規(guī)范計(jì)算機(jī)組件調(diào)試工藝及相關(guān)操作方法。在產(chǎn)品測(cè)試及使用過程中，必須在插入式設(shè)備完全斷電的情況下，方可進(jìn)行產(chǎn)品接口插拔操作。具體措施如下：

（1）操作人員須嚴(yán)格遵守電子產(chǎn)品調(diào)試操作規(guī)范，測(cè)試前應(yīng)觸摸人體靜電釋放器；在測(cè)試計(jì)算機(jī)組件時(shí)應(yīng)穿防靜電工作服、工作帽，佩戴防靜電手鐲。

（2）產(chǎn)品測(cè)試通電前，檢查接口電路接插電纜的緊固度，確保接插可靠；先打開計(jì)算機(jī)檢查臺(tái)的工控機(jī)電源及顯示電源，再打開檢查臺(tái)電源；打開功能測(cè)試軟件先進(jìn)行單項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試合格后再進(jìn)行全部測(cè)試項(xiàng)目。

（3）在產(chǎn)品測(cè)試完成后，確認(rèn)檢查臺(tái)完全斷電后，等待產(chǎn)品電容電感積累的電量釋放，5 min 后再進(jìn)行計(jì)算機(jī)組件的插拔操作。

以上措施均在計(jì)算機(jī)組件調(diào)試工藝中作了進(jìn)一步要求及細(xì)化，操作人員嚴(yán)格按要求進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試，再未出現(xiàn)類似故障。

4 電路改進(jìn)研究

在三極管選型中，其耐壓及過流能力雖滿足電路電器參數(shù)及外圍電路的設(shè)計(jì)要求，但從產(chǎn)品系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和返廠產(chǎn)品的故障來看，三極管的抗壓能力稍顯不足，需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高抗壓能力[8]。

根據(jù)圖1所示模塊單通道電路建立帶負(fù)載情況下的模型，如圖6 所示，假設(shè)外部電壓為Ux，負(fù)載阻抗為Rx。

圖6 帶負(fù)載情況下的模型

由圖6 可知，三極管導(dǎo)通狀態(tài)下通過的電流為15/1.2+Ux/Rx。若該電流超過其額定電流，會(huì)對(duì)三極管造成損傷，特別是在負(fù)載阻抗Rx變小或Ux變大時(shí)，電流會(huì)增大。因此，該三極管很容易受外部電路影響[9]。

若在輸出端增加保護(hù)電阻R[10]，如圖7 所示，則三極管導(dǎo)通時(shí)通過的電流為15/1.2+Ux/(Rx+R)，在Rx變小的情況下，受電阻R的保護(hù)，使通過三極管的電流不至于過大，可以在一定程度上避免三極管受到?jīng)_擊[11]。由于該模塊在系統(tǒng)中與多個(gè)組件有接口關(guān)系，因此在增加保護(hù)電阻的同時(shí)還應(yīng)考慮其輸出在系統(tǒng)中的需求，改變對(duì)應(yīng)組件的相關(guān)電路設(shè)計(jì)。

圖7 增加保護(hù)電阻模型

5 結(jié) 語

根據(jù)本文的分析可知，某計(jì)算機(jī)控制組件“時(shí)標(biāo)信號(hào)”輸出異常是由于組件內(nèi)部三極管失效引起的。通過對(duì)三極管失效原因進(jìn)行分析，排除了器件質(zhì)量問題、工藝問題、異常電應(yīng)力等原因，確定組件故障是由于現(xiàn)場(chǎng)的操作人員對(duì)產(chǎn)品原理不熟悉，在未斷電情況下或斷電后未等待積累電量釋放完全就進(jìn)行了組件插拔，以及操作抗壓能力不足的相關(guān)器件致其損壞而引起的。本文提出的在組件輸出端增加保護(hù)電阻的方法，可以使組件內(nèi)部通過三極管的電壓不易隨負(fù)載的變化而變大至超過其最大耐受電壓。保護(hù)電阻阻值的選擇應(yīng)當(dāng)在整個(gè)系統(tǒng)中做具體分析，既要保證三極管的安全，又要保證后級(jí)電路中其他接口能被驅(qū)動(dòng)。本文提出的電路改進(jìn)方案為后續(xù)的研究提供了參考。