某型飛機剎車控制系統雙余度供電電源失效機理分析及改進

王紅玲，田廣來，趙文慶，孫 倩

（1.西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710072；2.西安航空制動公司系統所 陜西 西安 710074）

某型飛機剎車控制分系統控制單元在機載試驗使用中出現了雙余度電源失效故障。經試驗核實內部主供電回路中的限流電阻熔斷，導致產品無法正常上電啟動。另外，其他同類產品，在經歷環境應力篩選試驗后，也出現了限流電阻變黑或限流電阻裝配位置PCB發生過熱燒毀的現象。

針對上述故障現象，我們對產品電源系統進行了相關試驗的仿真分析，得出了故障解決方案。

1 雙余度電源供電電路

圖1為產品電源供電電路示意圖，其中Rs為供電線等效阻抗，D1、D2為主供電回路輸入二極管，Rr為限流電阻，C為輸入端供電電容，D3、D4為DC/DC變換器二次電源模塊[1]前端輸入二極管。 其中，Rr為 1 Ω/3 W，C 為 10 000 μF，經過粗略測算，Rs/2為0.7 Ω。Rr是失效故障部位。

圖1 電源供電示意圖Fig.1 Power supply

2 失效機理分析與驗證

2.1 失效故障分析

從圖1電源供電電路來看，Rr限流電阻處于主回路當中。就是說，無論是在電源啟動上電過程還是在穩態工作過程，或浪涌電壓導致輸入電壓波動時，Rr均受到主回路電流波動的影響而造成功率消耗，功率消耗的大小隨主回路電流的變化而變化[2]。

從限流電阻Rr失效現象來看，可以分為兩種狀況：

1）限流電阻Rr變黑，伴隨著裝配部位PCB受熱燒毀：說明經過Rr的電流，即主回路電流過大，導致Rr消耗的功率超過其額定功耗，造成發黑現象，同時限流電阻發熱導致裝配位置的PCB受熱燒毀。由于篩選過程中經歷多次上電過程，且產品在篩選過程中均能夠上電工作，經核算，穩態工作時主回路電流在Rr額定電流范圍之內，因此，限流電阻Rr發黑現象可能是由于Rr多次受上電電流沖擊造成的積累效果。

2）限流電阻Rr燒毀：說明Rr經歷了長時間的大電流工作，導致其損耗遠大于其額定功耗，因而造成燒毀。這也反映出電路供電主回路出現了某種故障，最為明顯的是短路故障。

2.2 失效故障驗證

針對上述分析的兩種故障現象，我們針對產品進行了相關試驗驗證，以確定故障所在。

1）限流電阻Rr變黑

圖2是VIN為28 V時，產品上電過程輸入電壓和輸入電流的變化曲線，其中藍色曲線（上）為主回路輸入電壓，黃色曲線（下）為主回路輸入電流。可以看到，在輸入電壓建立過程中，輸入電流逐漸增大，峰值電流為12 A左右，主回路電流超過5 A的時間在50 ms左右。以主回路經過Rr的電流為5 A來計算，此時Rr的最低功耗在6.25 W，是額定功耗的兩倍。而峰值功耗為36 W，是額定功耗的12倍。應該說，啟動電壓建立過程中，Rr消耗的功率會累積造成電阻發黑。

圖2 輸入電壓和輸入電流的變化曲線Fig.2 Changes in input voltage and input current curve

進一步分析主回路電流的流向，圖3是DC/DC變換器[3]二次電源模塊在上電啟動過程中，輸入電壓與輸入電流的變換曲線，其中藍色曲線（上）為二次電源模塊輸入電壓，

黃色曲線（下）為二次電源模塊輸入電流。可以看出，啟動過程中，二次電源模塊輸入峰值電流在7 A左右，脈沖寬度小于10 ms。

在產品達到穩態工作時，輸入電流在2 A左右，限流電阻Rr處于其額定功耗范圍內。

經過上述對比分析，可以看出，在產品上電過程中，由于Rr處于主回路當中，輸入電容C充電和二次電源模塊啟動形成的浪涌電流導致Rr瞬間功耗過大，最低功耗超過額定功耗兩倍的時間大于50 ms，這對限流電阻會造成沖擊損傷，經反復多次上電沖擊后，會造成累積效應，導致電阻表面發黑。進一步來說，輸入電容C充電過程導致啟動時間變長，進一步加劇了Rr功率消耗。

圖3 二次電源輸入電壓與輸入電流變化曲線Fig.3 Secondary power input voltage and input current change curve

2）限流電阻 Rr燒毀

Rr經多次上電啟動后累積效應會導致其阻值向上偏移，這會導致啟動過程中其損耗加劇，存在瞬間燒毀的可能。但是造成限流電阻Rr燒毀更可能的故障是輸入主回路在上電過程中發生故障造成短路，那么此時Rr消耗的功率將達到50 W，超過額定功耗10倍之多，短路時間稍長，就會造成Rr燒毀。

進行多次啟動上電過程，并在上電啟動過程中有意造成多次掉電重啟，以模擬觸碰開關波動情況。最后，捕捉到了圖4，藍色曲線（下）為二次電源模塊輸入電壓，黃色曲線（上）為二次電源模塊輸入電流。二次電源模塊在上電過程中啟動電流大，由于輸入線上阻抗較大，導致二次電源模塊輸入電壓瞬間拉低，表現為短路現象。可以看出，在掉電重啟時，二次電源模塊輸入端電壓仍存在2 V左右的剩余電壓。在輸入電壓隨輸入電容充電上升過程中，達到13 V左右時，此時二次電源模塊內部的BOOST升壓電路開始工作，與此同時后端的多路DC/DC功率變換電路也要啟動，因此，會產生很大的輸入浪涌電流，從圖示中可以看出達到30 A，此時，受前端主回路阻抗影響，導致二次電源模塊輸入端電壓瞬間被拉低，而BOOST功率開關由于已經切換到內部儲能電容供電，受反饋環路響應時間影響，無法瞬間關斷，導致二次電源模塊輸入端呈現短路狀態。此時，主回路電流會被鉗位在10 A左右，那么，Rr功率消耗會高達25 W，時間稍長，就會造成限流電阻Rr燒毀。

進行了多次試驗，模擬了故障現象，存在下面3個關鍵參數條件：

①二次電源模塊輸入端上電時間：由于二次電源模塊輸入端存在的輸入電容C較大[4]，造成上電時間緩慢，從圖2可以看出，達到100 ms，這會造成在上電過程中，因二次電源模塊內部功率電路啟動，產生啟動輸入瞬態電流，導致輸入端電壓產生較大的下降，在BOOST電路啟動后，隨著輸入端電壓下降，會進一步增大輸入電流，形成輸入端電壓進一步下降的趨勢，直至輸入端電壓被拉低，呈現短路狀態。

圖4 二次電源輸入電壓與輸入電流變化曲線Fig.4 secondary power input voltage and input current change curve

②二次電源模塊輸入前端線路阻抗：輸入前端線路阻抗在產品啟動過程中影響較大，相對合理的阻抗有利于抑制啟動瞬態電流。但阻抗過大會導致二次電源模塊啟動瞬間（大約為13 V），因啟動電流在輸入阻抗產生較大壓降，引起輸入二次電源模塊的端電壓下降較大，造成反復重啟，引起短路狀態發生。

③掉電重啟間隔時間：掉電重啟間隔時間較短，會導致二次電源模塊內部電容無法完全放電，造成加電偏置啟動狀態。從目前測試狀況來看，以圖4為例，二次電源模塊的輸入端阻抗較大，二次電源模塊輸入瞬間電流將輸入電壓被拉低，當輸入電壓拉低到二次電源模塊的正常工作電壓外時，容易引起內部BOOST環路無法瞬間關斷，呈現短路狀態，進而造成輸入大電流。

3 改進意見與措施

針對上述分析過程，尤其是限流電阻Rr變黑和燒毀兩種失效現象，我們針對性地提出下列改進意見：

針對輸入端大電容C充放電應用線路：電容C的作用是利用電容的儲能使系統在欠壓浪涌試驗中能夠有足夠的能量維持二次電源模塊正常工作，為后續設備供電。但電容C的充放電影響產品上電啟動過程，一方面會導致Rr（主回路限流電阻相對較小）啟動時經受較大功率沖擊，另一方面也會導致二次電源模塊輸入端電壓建立時間較長，不利于系統可靠工作。

圖5是對圖1電路的簡單改進。改進后，Rr僅處于C的充電回路中，不影響主回路阻抗，同時改進后Rr可以適當增大，延長C的充電時間，縮短二次電源模塊上電啟動輸入端電壓建立時間，避免重復啟動故障。但Rr的大小要保證欠壓浪涌試驗中C能夠迅速補充能量，避免二次電源模塊因C端電壓降低而掉電。

圖5 改進后的輸入電容C充放電電路（1）Fig.5 The improved input capacitance C to charge and discharge circuit（1）

圖6 是對圖5電路的進一步改進。改進后，Rr1和Rr2均是限流電阻，僅處于C的充電回路中，不影響主回路阻抗，同時改進后Rr1可以較大，以控制啟動電流。在C充電到一定電壓后 （取決于 D5，Z2，R2和 R3的值），V1 導通， 打開 M1，此時，由Rr2處于充電回路上，通常Rr2遠小于Rr1，以保證在欠壓浪涌期間，能夠給C補充足夠的能量，以保證二次電源模塊能正常工作。V1導通時C的電壓值要經過試驗確定，因為欠壓浪涌時，C的電壓要降低，但不能低至V1導通時C的電壓值，否則，無法保證M1在欠壓浪涌期間處于開通狀態。

圖6 改進后的輸入電容C充放電電路（2）Fig.6 The improved input capacitance C to charge and discharge circuit（2）

針對二次電源模塊啟動瞬態電流過大的問題：二次電源 模塊內部集成了浪涌抑制電路，在低端電壓時，為了維持輸出功率，其輸入電流必然較大[5]。二次電源模塊目前狀態在8 V左右打開供電開關，此時對內部儲能電容供電，產生輸入浪涌電流脈沖，13 V左右打開BOOST開關，啟動升壓電路，進而啟動后續DC/DC變換，見圖3。為了解決因輸入阻抗過大，導致電路啟動瞬態電流過大問題，并解決二次電源模塊在標準輸入電壓外啟動時存在啟動電流大的問題。改進措施包括：

輸入端增加啟動浪涌電流抑制電路：主要是通過控制輸入主回路上的MOS功率開關在啟動過程中的導通阻抗實現；提高BOOST電路在重復掉電啟動時的響應速度[6]：在輸入端電壓降低至7 V以下時，確保BOOST電路迅速處于關閉狀態，避免掉電啟動時由于內部儲能電容未完全放電導致BOOST功率回路處于短路狀態，進而造成產品輸入回路出現短路大電流；控制后端DC/DC變換器啟動延遲時間：目前，二次電源模塊內部BOOST電路啟動與后端DC/DC變換器啟動幾乎是同時的，這會導致啟動瞬態電流很大。改進后，后端DC/DC變換器會在前端BOOST電路啟動后的20～30 ms后啟動，保證輸入端電容和內部儲能電容均上升至穩定狀態后再啟動，避免因同時啟動造成輸入瞬態電流過大，拉低輸入端電壓的現象。

4 結 論

本研究結果說明了雙余度電源設計過程需要從以下幾方面進行考慮：上電過程中，要保證電源輸入端電容和內部儲能電容均到達穩定狀態后，才能啟動二次電源；電源輸入端必須有啟動浪涌電流抑制電路；二次電源在重復掉電啟動過程中的響應速度要足夠快。此方法能解決某型飛機剎車控制系統在試驗過程中出現的雙余度電源失效故障現象，確保其順利通過電源特性試驗，同時避免上電啟動瞬間電流過大而產生電源失效現象。

[1]王小朋，于平，李東景，等.DC／DC變換器在航天器二次電源中的應用[J].空間科學學報，2011，31（6）:16.WANG Xiao-peng，YU Ping，LI Dong-jing，et al.Application of DC/DC converter in secondary power for spacecraft[J].Chinese Journal of Space Science，2011，31（6）:16.

[2]石頡，王公展，劉玉杰，等.電源模塊的失效分析與老化狀態檢測[J].電源技術，2012，36（2）:27.SHI Jie，WANG Gong-zhan，LIU Yu-jie，et al.Failure analysis and ageing condition inspection for power supply[J].Chinese Journal of Power Sources，2012，36（2）:27.

[3]Ezema L S，Peter B U，Harris O O.Design of automatic change over switch with generator control mechanism[J].Academic Research International，2012，3（3）:21.

[4]王錫清.開關穩壓電源用鋁電解電容器的失效機理[J].電子產品可靠性與環境試驗，2002（3）:5.WANG Xi-qing.Failure mechanism of aluminum electrolytic capacitor for switching foltagestabilizing power supply[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2002（3）:5.

[5]司劍飛，郝世勇，戰祥新.飛機地面電源供電品質在線測試系統設計[J].電子測量技術，2012，35（7）:31.SI Jian-fei，HAO Shi-yong，ZHAN Xiang-xin.Online-testing system of parameters in aeroplane ground power supply[J].Electronic Measurement Technology，2012，35（7）:31.

[6]Emad M，Ahmed Masahito.Enhancing the performance of the marine and tidal current converters using DC-DC boost converter[J].Journal of Enerhy and Power Engineering，2012，6（3）:12.