基準(zhǔn)頻率源模塊數(shù)字基準(zhǔn)信號無輸出故障診斷研究

譚鋼 李旋

摘要：基準(zhǔn)頻率源模塊是綜合化電子系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是為系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊提供統(tǒng)一基準(zhǔn)頻率，出現(xiàn)故障后需要快速準(zhǔn)確地進行故障診斷，文章針對某型基準(zhǔn)頻率源模塊高溫下數(shù)字基準(zhǔn)信號無輸出故障，結(jié)合模塊工作機理，采用故障樹分析法，建立故障樹并對故障進行診斷分析，通過列舉導(dǎo)致故障發(fā)生的底事件，再逐一排除，最后針對性地分析故障底事件的產(chǎn)生機理，提出有效的解決措施。

關(guān)鍵詞：基準(zhǔn)頻率源；故障樹；故障診斷

中圖分類號： V26? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0115-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

近年來，隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展和軟件無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，航空電子系統(tǒng)采取綜合化、模塊化設(shè)計思路，將原來獨立的各個功能機載裝備集成為多功能的綜合化電子系統(tǒng)。綜合化電子系統(tǒng)中為了優(yōu)化了系統(tǒng)內(nèi)的頻率關(guān)系，避免多頻率源帶來的復(fù)雜組合干擾，對系統(tǒng)頻率源也進行了集成設(shè)計，即全系統(tǒng)采用統(tǒng)一基準(zhǔn)源，實現(xiàn)各功能射頻信道模塊頻率源的綜合使用，有利于系統(tǒng)內(nèi)各項功能的自兼容工作，同時提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。文中所述基準(zhǔn)頻率源模塊就是針對以上需求進行研制，配套于某綜合化航電設(shè)備，為系統(tǒng)產(chǎn)生統(tǒng)一的高精度基準(zhǔn)時鐘，是該系統(tǒng)的重要組成模塊[1]。但是由于模塊集成度高，技術(shù)復(fù)雜，因此需要一種系統(tǒng)性的科學(xué)方法來指導(dǎo)技術(shù)人員在發(fā)生故障后及時進行分析排查，迅速定位故障電路。

故障樹分析[2] （Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是目前工業(yè)技術(shù)行業(yè)廣泛使用的一種質(zhì)量問題排查方法。FTA采用自頂向下的演繹式失效分析方法，利用布爾邏輯組合低階事件，分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的狀態(tài)。本文結(jié)合基準(zhǔn)頻率源模塊工作原理，在一例基準(zhǔn)頻率源模塊數(shù)字基準(zhǔn)輸出失效故障排查過程中使用FTA方法，將模塊數(shù)字基準(zhǔn)輸出失效故障作為頂事件，將直接或間接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的因素作為中間事件，將最基本的故障原因作為底事件，通過邏輯門將頂事件、中間事件和底事件連接起來，形成一個故障分析樹狀圖，從頂事件出發(fā)，由上而下分析，實現(xiàn)對故障的快速定位[3]。

1 故障現(xiàn)象

某型號基準(zhǔn)頻率源模塊在系統(tǒng)使用過程中發(fā)現(xiàn)高溫70℃工作條件下，數(shù)字基準(zhǔn)信號無輸出，模塊無法正常工作，需要進行故障排查。

2 模塊工作原理

基準(zhǔn)源模塊數(shù)字基準(zhǔn)信號產(chǎn)生工作原理框圖見圖1所示。

基準(zhǔn)源模塊從電路功能上包括電源模塊、時鐘控制板、模擬基準(zhǔn)源電路、數(shù)字基準(zhǔn)源電路。模擬基準(zhǔn)源包括100MHz、32.XMHz和14.XMHz晶振及相應(yīng)的控制電路?；鶞?zhǔn)頻率源模塊產(chǎn)生多路100MHz數(shù)字基準(zhǔn)信號、32.XMHz數(shù)字信號和14.XMHz數(shù)字信號供系統(tǒng)其他功能模塊使用。

電源模塊將輸入的+28V模擬電源轉(zhuǎn)換為內(nèi)部使用的模擬電源和數(shù)字電源，分別供內(nèi)部的晶振和數(shù)字電路使用。內(nèi)部使用數(shù)字電源電路穩(wěn)壓為3.3V和1.2V供數(shù)字電路使用。

模擬基準(zhǔn)源電路包括2個恒溫晶振、頻率預(yù)置電路等。同時采用射頻開關(guān)控制電路和備份晶振共用輸出電路，實現(xiàn)主備切換。在主晶振輸出端采用射頻信號檢波，來確定主晶振的信號功率狀態(tài)，實現(xiàn)在主晶振故障時內(nèi)部自動切換至備晶振。

32.XMHz主備晶振也和100MHz晶振類似，通過射頻開關(guān)電路選擇主備輸出，利用控制板上的轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換為BLVDS信號。對32.XMHz主晶振射頻信號功率檢波，檢測狀態(tài)，實現(xiàn)在主晶振故障時內(nèi)部自動切換至備晶振。

14.XMHz晶振直接輸出到控制板上，作為數(shù)字驅(qū)動輸出，輸出數(shù)字時鐘信號。

控制板主要實現(xiàn)數(shù)字時鐘驅(qū)動輸出，實現(xiàn)對32.XMH和100MHz主備晶振的切換控制，和外部通過CAN/LVDS接口進行通信，通過外部離散線對模塊內(nèi)部狀態(tài)進行上報、對14.XMHz、32.XM的電源進行控制，以適合不同的工作模式[4]。

3 故障分析定位

3.1 建立故障樹

首先根據(jù)故障現(xiàn)象及工作原理建立板級故障樹如圖2所示。

3.2 問題排查

3.2.1 X1.1模式排查

時鐘控制板的供電原理框圖如圖3所示。時鐘控制板供電依靠外部輸入的數(shù)字5V電源供電，輸入后經(jīng)過時鐘控制板電源電路分別產(chǎn)生3.3V及1.2V電源供后級使用。根據(jù)供電原理引出 3.3V輸出（測試點1） 、1.2V輸出（測試點2） 兩個測試點。

引出測試點后，對故障件進行常溫測試，測試點1測得電壓3.29V，測試點2測得電壓1.21V，此時模塊數(shù)字基準(zhǔn)信號正常輸出。之后對故障件進行高溫工作測試，在高溫70℃的條件下加電工作，十余秒后故障復(fù)現(xiàn)。此時對測試點進行電壓測試，測試點1測得電壓1.60V，測試點2測得電壓0.98V?？梢钥吹?，數(shù)字5V電源經(jīng)過控制板電源電路后本應(yīng)輸出3.3V處測得電壓1.6V，本應(yīng)輸出1.2V處測得電壓0.98V，導(dǎo)致后續(xù)電路電壓不足，不能正常工作。

3.2.2 X1.2模式、X2.1模式排查

根據(jù)前述排查，時鐘控制板供電電路高溫下存在故障，故排查其余故障模式時需要外接電源進行排查。在3.3V輸出及1.2V輸出處分別外接3.3V和1.2V電源，進行高溫工作測試。在高溫70℃條件下，在3.3V輸出及1.2V輸出處分別外接3.3V和1.2V電源，連續(xù)進行高溫工作1小時，數(shù)字基準(zhǔn)信號輸出正常。說明時鐘控制板轉(zhuǎn)換電路與基準(zhǔn)信號產(chǎn)生模塊工作正常，X1.2故障模式與X2.1故障模式可以排除。

根據(jù)上述排查情況，無法排除X1.1故障模式，即時鐘控制板供電故障引起數(shù)字基準(zhǔn)信號無輸出，需要對故障件控制板供電電路進行進一步排查。

3.3 時鐘控制板電源電路工作原理概述

通過排查，時鐘控制板供電故障引起數(shù)字基準(zhǔn)信號無輸出的故障模式無法排除。時鐘控制板的電源部分是由CRM連接器提供5V電壓源，在時鐘控制板上串聯(lián)保險絲和二極管的防反保護后給到LDO電源芯片，經(jīng)LDO電源芯片轉(zhuǎn)換后輸出給各級電路[5]。該部分設(shè)計示意圖見圖4。因此，判斷時鐘控制板電源部分的工作狀態(tài)，即判斷上述三個器件的工作狀態(tài)是否正常。其中保險絲與二極管構(gòu)成防反接與過流保護電路，LDO提供電壓轉(zhuǎn)換功能。通過對時鐘控制板電源電路設(shè)計示意圖進行分析，確定采取將電源各級信號飛線引出以定位故障，具體飛線信號位置見示意圖。

3.4 時鐘控制板故障樹及診斷分析

針對高溫工作時，時鐘控制板電源電路的故障為頂事件形成故障樹，再依據(jù)故障樹對每一底事件進行排查，其故障樹如圖 5所示。

1） X1.1.1? CRM連接器高溫供電異常事件分析

高溫情況下上電后進行持續(xù)拷機，期間故障復(fù)現(xiàn)時，使用萬用表測試圖4中所示測試飛線1上的電壓，實測電壓為4.89V。CRM連接器后電壓正常范圍為4.5～5.5V，實測電壓在正常范圍內(nèi)，說明CRM連接器在高溫條件下供電正常，且電壓滿足供電電壓要求。因此，X1.1.1故障模式可以被排除。

2） X1.1.2? 保險絲高溫工作異常事件分析

故障復(fù)現(xiàn)時使用萬用表測試圖4中所示測試飛線2上的電壓，實測電壓為2.0V。保險絲后電壓正常范圍為4.4～5.4V，實測結(jié)果明顯不滿足最低電壓要求。此時進一步測試圖4中所示測試飛線3、4、5處的電壓，結(jié)果分別為1.66V，1.57V，0.96V，測試電壓均不滿足供電電壓的要求。

實測電源通過保險絲后電壓降低了2.89V，懷疑此時保險絲內(nèi)阻異常增大，電流通過后產(chǎn)生了壓降。于是關(guān)電后對該保險絲阻抗進行測試，測得阻抗為3.6Ω，查器件資料得知該保險絲正常阻抗應(yīng)在0.035～0.23Ω之間?？梢耘袛嘣摫ｋU絲在高溫工作中阻抗異常增大，電流通過保險絲后由于其內(nèi)阻增大發(fā)熱更高，使得保險絲內(nèi)部高分子材料在更低溫度下開始膨脹。在高溫工作條件下等效為在電源通路上串聯(lián)了一個電阻，電流通過后產(chǎn)生了壓降，導(dǎo)致外部電源通過保險絲后的電壓遠(yuǎn)低于正常設(shè)計電壓范圍，導(dǎo)致時鐘控制板電源電路輸出不滿足數(shù)字信號轉(zhuǎn)換電路要求。最終引起基準(zhǔn)源模塊高溫工作條件下數(shù)字基準(zhǔn)信號無輸出[6]。因此，X1.1.2故障模式不能被排除。

3） X1.1.3? 二極管高溫工作異常事件分析

由于時鐘控制板電源電路上器件為串聯(lián)順序連接，前級出錯則后級無法判斷正常，須先解決前級保險絲問題后再進行測試。將保險絲位置更換為2512封裝1毫歐電阻（精度1%） 繼續(xù)進行測試。在與之前測試條件一致后，使用萬用表測試圖4中所示測試飛線3上的電壓，實測電壓為4.52V。二極管后電壓正常范圍為3.8～4.9V，測試結(jié)果滿足設(shè)計要求。因此，X1.1.3故障模式可以被排除。

4） X1.1.4? LDO電源芯片高溫工作異常事件分析

在X1.1.3底事件測試基礎(chǔ)上使用萬用表對圖4中所示測試飛線4、5上的電壓進行測試，實測電壓分別為3.28V和1.21V，電壓符合理論輸出指標(biāo)。因此，X1.1.4故障模式可以被排除。

3.5 故障機理分析及定位結(jié)論

3.5.1 機理分析

如前文所述，故障定位在保險絲高溫工作異常，將故障保險絲取下進行分析，發(fā)現(xiàn)測試保險絲相比同批次良品內(nèi)阻偏大。導(dǎo)致樣品阻值增大的可能原因有故障保險絲的端電極與內(nèi)電極之間存在連接不良以及樣品的電阻體本體的阻值增大。

通過專業(yè)機構(gòu)對故障保險絲進行外觀與CT檢查，結(jié)果顯示故障保險絲的端電極和內(nèi)電極之間未見連接不良；進而對故障保險絲進行電參數(shù)測試，結(jié)果顯示內(nèi)電極之間的阻值明顯增大，而端電極與內(nèi)電極之間的連接正常。

就故障樣品測試情況來看，內(nèi)電極之間的阻值明顯增大，根據(jù)該保險絲工作原理可知在內(nèi)阻增大時，發(fā)熱更高，導(dǎo)致高分子材料在更低溫度下膨脹，導(dǎo)電通道更快斷開，額定電流規(guī)格降低。引起保險絲本體內(nèi)阻增大的原因最大可能是高分子材料老化導(dǎo)致。

3.5.2 故障結(jié)論及處理措施

通過以上兩級故障樹的排查和分析，基準(zhǔn)源模塊中時鐘控制板選用的自恢復(fù)保險絲（SMD2920B150TF） 存在高溫下阻抗異常增大，造成+5V電源經(jīng)過保險絲后電壓下降，不滿足時鐘控制板的工作電壓要求，導(dǎo)致控制板高溫工作狀態(tài)異常，最終導(dǎo)致基準(zhǔn)源模塊數(shù)字基準(zhǔn)信號無輸出。

完成故障定位后需要制定處理措施，經(jīng)過復(fù)查時鐘控制板的電源電路，外部+5V電源輸入后，依次經(jīng)過保險絲、防反接二極管及LDO電源芯片，最終輸出電源電壓信號。其中保險絲的設(shè)計作用為當(dāng)模塊內(nèi)部短路時，保險絲熔斷隔離整機電源，從而保護整機電源不受影響；而LDO電源芯片內(nèi)部存在過流保護功能，當(dāng)模塊內(nèi)部發(fā)生短路時會自動切斷輸入電源與輸出電源的通路，進而保護輸入電源不受影響。所以最終處理措施為將故障保險絲取下，在原焊盤處焊接2512封裝1毫歐電阻（精度1%） 進行連接，更換后在高溫70℃的條件下[7]，連續(xù)進行高溫工作1小時，數(shù)字基準(zhǔn)信號輸出正常。

4 結(jié)束語

這是一起典型的器件失效引起的模塊故障，通過建立兩級故障樹快速進行故障分析，定位了故障電路和失效器件，完成了故障排查，并制定了有效的整改措施，通過了高溫試驗驗證，運用故障樹分析提高了故障排查和系統(tǒng)維護的工作效率。

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【通聯(lián)編輯：梁書】