一種濾波轉換模塊故障模式分析

王俊華，章 磊，徐志歡，袁飛馬

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

濾波轉換最基本的功能是將直流電中的交流成分濾去。該濾波轉換模塊的主要功能是對發電機輸出的含有交流分量的直流電壓進行濾波，使直流電壓紋波限定在一定的范圍內，用于提供穩定的直流電壓信號。通過對該型濾波轉換模塊的工作電路進行分析，建立相應的故障樹，找出對產品功能影響較大的元器件，并采取相應的設計措施，從而提高產品的質量和可靠性。

1 產品電路及工作原理說明

1.1 電路圖

該濾波轉換模塊的電原理框圖如圖1 所示。詳細的電路圖如圖2、圖3 所示。

圖1 電原理框圖[1]

圖2 電路圖-1[2]

圖3 電路圖-2

圖中各部分電路的功能為：

1） 濾波電路：濾波部分是一個普通的LC 無源濾波器，主要對發電機輸出電壓進行濾波。

2） 取樣電路：是一個電阻分壓電路，對發電機的輸出電壓，即濾波轉換模塊的輸入電壓進行分壓取樣。

3） 輔助電源：是一個用穩壓管進行穩壓的電路，為其他部分電路提供一個穩壓信號。

4） 基準電壓：采用線性電源芯片7805 產生基準電壓，為比較器A 提供一個電壓基準。

5） 電壓比較：對取樣電壓與基準電壓進行比較。

6） 延時電路：當發電機的輸出電壓達到規定的電壓值后，經過一定時間的延時，發出電壓信號。

1.2 工作原理

該濾波轉換模塊包括濾波電路和轉換電路兩部分。其工作原理為：取樣電路對輸入電壓進行取樣，得到的信號與基準電壓進行比較，當發電機的輸出電壓達到規定的電壓值時，比較器翻轉輸出高電平，該信號經過一定時間的延時后，繼電器吸合，輸出電壓信號。

2 故障模式分析

因該濾波轉換模塊由濾波電路和轉換電路兩部分組成。 所以分別對兩部分電路進行故障模式分析。

2.1 濾波電路故障模式分析

濾波電路的故障模式有兩種，分別為：紋波超差、無輸出電壓。

2.1.1 紋波超差

頂事件紋波超差有4 個子事件：熔斷器開路、濾波電容器失效、電感短路、熔斷器與濾波電容之間連接線路開路。對4 個子事件展開分析，并繪制故障樹，如圖4 所示。

圖4 紋波超差故障樹

2.1.1.1 熔斷器開路

若熔斷器開路，濾波電路其他部分工作正常，則濾波電容被斷開，LC 濾波由電感進行濾波，濾波性能和抗動態負載能力減弱，可能會導致紋波超差。

2.1.1.2 濾波電容失效

1） 若濾波電容開路，濾波電路其他部分工作正常，則LC 濾波由電感進行濾波，濾波性能和抗動態負載能力減弱，可能會導致紋波超差。

2） 若濾波電容短路，濾波電路其他部分工作正常，則熔斷器能有效熔斷，濾波電容被斷開，LC 濾波由電感進行濾波，濾波性能和抗動態負載能力減弱，可能會導致紋波超差。

3） 若濾波電容參數漂移，濾波電路其他部分工作正常，則濾波性能和抗動態負載能力減弱，可能會導致紋波超差。

2.1.1.3 電感短路

若電感短路，濾波電路其他部分工作正常，則LC濾波由電容進行濾波，抑制紋波能力減弱，可能會導致紋波超差。

2.1.1.4 熔斷器與濾波電容之間連接線路開路

若熔斷器與濾波電容之間連接線路開路，濾波電路其他部分工作正常，則LC 濾波由電感進行濾波，濾波性能和抗動態負載能力減弱，可能會導致紋波超差。

2.1.2 無輸出電壓

頂事件無輸出電壓有兩個子事件：電感開路、連接線路開路。這兩個子事件都會造成濾波電路無輸出電壓。 故障樹如圖5 所示。

圖5 無輸出電壓故障樹

2.2 轉換電路故障模式分析

轉換電路的故障模式有三種，分別為：轉換點電壓值超差、延時時間超差和無電壓信號輸出。

2.2.1 轉換點電壓超差

頂事件轉換點電壓超差有4 個子事件：基準電壓電路故障、電壓取樣電路故障、電壓比較電路故障、繼電器故障。對這4 個子事件展開分析，繪制故障樹，如圖6 所示。

圖6 轉換點電壓超差故障樹

2.2.1.1 基準電壓電路故障

若7805 輸出電壓不穩定，其他部分工作正常，若基準電壓輸出偏低，轉換點電壓值降低，電壓信號提前收到。 若基準電壓輸出偏高，轉換點電壓值升高，電壓信號滯后收到。

2.2.1.2 電壓取樣電路故障

1） 若電阻R5 開路，其他部分工作正常，則取樣電壓偏高，轉換點電壓值可能降低，電壓信號提前收到。

2） 若電阻R4、R5 參數漂移，其他部分工作正常，則取樣電壓漂移，轉換點電壓值可能降低或增高，電壓信號提前或滯后發出。

2.2.1.3 電壓比較電路故障

1） 若比較器A 短路，其他部分工作正常，則比較器A 輸出低電平，轉換點電壓值降低，電壓信號提前收到。

2） 若比較器A 開路，其他部分工作正常，則比較器A 無輸出，轉換點電壓值降低，電壓信號提前收到。

2.2.1.4 繼電器故障

1） 若繼電器不能斷開，其他部分工作正常，則轉換點電壓值降低，電壓信號提前收到。

2） 若三極管V3 短路，其他部分工作正常，則轉換點電壓值降低，電壓信號提前收到。

2.2.2 延時超差

頂事件轉換點電壓超差有1 個子事件：延時電路故障。 對該子事件展開分析，繪制故障樹，如圖7 所示。

圖7 延時超差故障樹

若電容C10 開路，其他部分工作正常，則無延時時間，發電機建壓后立即發出電壓信號。

2.2.3 無供電信號輸出

頂事件無輸出電壓有5 個子事件：基準電壓電路故障、輔助電源電路故障、電壓取樣電路故障、比較電路故障、繼電器故障。對這5 個子事件展開分析，繪制故障樹，如圖8 所示。

圖8 無供電信號輸出故障樹

2.2.3.1 基準電壓電路故障

1） 若7805 輸出電壓偏高，其他部分工作正常，則基準參考電壓輸出偏高，發電機建壓后延時輸出電壓信號或者無電壓信號輸出。

2） 若7805 輸出電壓偏低，其他部分工作正常，則基準參考電壓輸出偏低，發電機建壓后提前輸出電壓信號。

2.2.3.2 輔助電源電路故障

若電阻R1 開路，其他部分工作正常，則輔助電源無輸出，比較器A 不工作，不能進行電壓比較，發電機建壓后無電壓信號輸出。

2.2.3.3 電壓取樣電路故障

1） 若電阻R4 開路，其他部分工作正常，則比較器A 無輸入電平，不能進行電壓比較，發電機建壓后無電壓信號輸出。

2） 若電容C9 短路，其他部分工作正常，則比較器A 輸入為低電平，輸出也為低電平，發電機建壓后無電壓信號輸出。

2.2.3.4 比較電路故障

1）若比較器A 模擬輸出失效，其他部分工作正常，則比較器A 輸出電平不正常，電壓信號輸出不正常。

2） 若電阻R7（R11）開路，其他部分工作正常，則比較器A 輸出為低電平，輸出也為低電平，發電機建壓后無電壓信號輸出。

3） 若電容C10 短路，其他部分工作正常，則比較器A 輸出為低電平，發電機建壓后無電壓信號輸出。

2.2.3.5 繼電器故障

1） 若繼電器觸點不能吸合，其他部分工作正常，則發電機建壓后無電壓信號輸出。

2） 若二極管V4 短路，其他部分工作正常，則繼電器不能吸合，發電機建壓后無電壓信號輸出。

3） 若三極管V3 開路，其他部分工作正常，則繼電器不能吸合，發電機建壓后無電壓信號輸出。

4） 若電阻R12 開路，其他部分工作正常，則繼電器不能吸合，發電機建壓后無電壓信號輸出。

從上面的分析可知，不同元器件失效時對產品有不同的影響。 有些元器件失效時對產品影響較小。 有些元器件失效時對產品影響比較大。影響較大的故障模式為：無輸出電壓和無電壓信號。

3 設計措施

對于無輸出電壓的情況模式，從圖5 可知，故障原因有電感開路和連接線路開路兩種。對電感線圈采用4 根截面1.94mm2的漆包線并繞， 形成冗余結構形式，能夠有效降低電感器開路的情況發生。 電連接器線路采用雙點雙線路，能夠有效降低連接線路開路的情況發生。

對于無電壓信號輸出，從圖8 可知，故障原因包含多種元器件失效。針對這些情況，將失效率相對較高的比較器A 設置為重要件，加強對該器件的質量控制；采用繼電器自鎖控制的方法，消除由于其他器件失效導致電壓信號異常的情況。

4 結語

在對該型濾波轉換模塊失效模式分析的基礎上，建立了5 種失效模式的故障樹，針對故障的影響程度采取了相應的設計措施。經過多次地面試驗及帶飛試驗表明，這些措施能有效降低或避免故障發生的情況，從而提高產品的質量和可靠性。