某型機(jī)HID著陸燈無法點(diǎn)亮問題分析

■ 王 珂 秦 鵬 于 悅

某型機(jī)HID著陸燈無法點(diǎn)亮問題分析

■ 王 珂 秦 鵬 于 悅

針對(duì)某型機(jī)HID著陸燈無法點(diǎn)亮問題，分析了無法點(diǎn)亮的原因，制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施，供參考。

1.引言

HID著陸燈的功能是為直升機(jī)著陸場(chǎng)地提供環(huán)境照明，光源具有可見和紅外兩種工作模式。HID著陸燈由活動(dòng)燈罩組件[含HID控制組件、HID光源（可見）、LED光源（紅外）]、防雷濾波器組件、殼體組件、繼電器、帶電機(jī)減速器組件、凸輪開關(guān)組件和插頭座組成。

HID著陸燈在部隊(duì)使用中發(fā)生無法點(diǎn)亮問題，影響直升機(jī)的作戰(zhàn)訓(xùn)練。為此，分析HID著陸燈無法點(diǎn)亮的原因，并制定改進(jìn)措施，以保證直升機(jī)作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)的完成將顯得非常重要。本文就此問題進(jìn)行討論。

2.HID控制原理

HID控制原理可劃分為主芯片控制電路、電源EMC濾波、變壓器升壓DC-DC、倍壓電路、點(diǎn)火電路、全橋逆變電路DC-AC輸出等六個(gè)模塊（見圖1）。

圖1 HID控制原理框

HID燈有兩種工作狀態(tài)，一種是啟動(dòng)狀態(tài)，一種是穩(wěn)定工作狀態(tài)。

在啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電源輸入DC28V，通過變壓器升壓，DC/DC變換（主芯片PWM控制），得到-400V的點(diǎn)火輸入電壓，再經(jīng)全橋逆變電路轉(zhuǎn)換成 400Hz交流電輸入到HID光源。整個(gè)組件實(shí)現(xiàn)從電源到HID光源DC-DC-AC的轉(zhuǎn)換。該點(diǎn)火輸入電壓?jiǎn)?dòng)由倍壓電路產(chǎn)生+400V的，+400V和-400V加至點(diǎn)火高壓包的初級(jí)，瞬間擊穿放電管，在高壓包的初級(jí)產(chǎn)生大電流，使高壓包輸出不小于23kV的點(diǎn)火電壓，加入燈芯兩端，使燈芯內(nèi)氣體電離發(fā)光。

啟動(dòng)成功之后，產(chǎn)品轉(zhuǎn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，由主芯片PWM控制實(shí)現(xiàn)DC/DC變換，使變壓器輸出為約85V，再經(jīng)全橋逆變電路轉(zhuǎn)換成 400Hz、85V交流電輸入到HID光源，維持HID光源穩(wěn)定發(fā)光。

主芯片控制電路內(nèi)置PWM軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，恒功率控制電路，異常保護(hù)電路，全橋輸出驅(qū)動(dòng)電路，以及啟動(dòng)時(shí)序控制電路等功能。

3.HID光源工作原理

HID光源由HID燈泡和點(diǎn)火電路組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HID光源結(jié)構(gòu)

HID燈泡（氙氣燈即高亮度氣體放電燈）是金屬鹵化物的高端頂級(jí)產(chǎn)品。

其發(fā)光原理和過程都很復(fù)雜，內(nèi)部充有高純稀有氣體--氙氣，并加入微量特定比例的金屬鹵化物。在瞬間高壓下拉弧啟動(dòng)，被加速的電子碰撞燈內(nèi)汽化并處于等離子態(tài)的金屬離子，使其能級(jí)躍遷。

當(dāng)激化態(tài)的離子外層電子回到低能級(jí)穩(wěn)定態(tài)時(shí)，便發(fā)出該物質(zhì)（如氣態(tài)金屬）的特征光譜，這里主要發(fā)出金屬原子光譜。

HID燈泡的燈芯由外管和內(nèi)管組成。燈芯的外管是由特殊的石英玻管制成。外管有兩個(gè)作用：一是濾除大部分的紫外線，二是防爆裂。內(nèi)管是由普通的熔凝石英制成的，其中的兩個(gè)鎢電極固定在兩端。內(nèi)管中充有氙氣。工作時(shí)管內(nèi)水銀蒸發(fā)時(shí)，使管內(nèi)壓力有可能超過三十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氙氣燈芯中充有氙氣和金屬鹵化物，并且采用封口排氣充氙氣一體式工藝制造 。

點(diǎn)火電路由觸發(fā)電路和變壓器組成，點(diǎn)火電路部分采用耐高壓處理技術(shù)，氙氣燈啟動(dòng)達(dá)兩萬多伏，耐高壓處理采用一體化灌封方式，將觸發(fā)器的觸發(fā)電路和變壓器全部灌封在燈泡的尾部。

圖3 著陸燈不亮故障樹

4.著陸燈不亮問題分析

4.1 問題描述

該型HID著陸燈在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，HID著陸燈出現(xiàn)燈不亮的故障。

由于試驗(yàn)電源未按照可靠性試驗(yàn)大綱要求配置，電源電流過小，初步定位認(rèn)為本次故障是電源供電不足所引起，更換電源后，產(chǎn)品經(jīng)溫度應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)摸底，故障未出現(xiàn)。該型著陸燈重新進(jìn)行可靠性試驗(yàn)不久后，HID著陸燈再次出現(xiàn)同樣故障。

4.2 故障定位

建立燈不亮問題故障樹，見圖3。

4.2.1 HID燈不亮問題故障定位

更換電源和操縱箱，燈仍然不亮，證明是HID燈故障，排除HID燈輸入無電壓的故障。

分解產(chǎn)品，更換新的HID光源后，產(chǎn)品仍不工作。說明故障定位于HID控制線路。用工作正常的HID印制板組件替換試驗(yàn)件的HID印制板組件后，產(chǎn)品工作正常，由此，定位到HID印制板組件故障。

用10倍放大鏡檢查HID印制板組件，未發(fā)現(xiàn)印制線和導(dǎo)線斷的情況，排除印制線和導(dǎo)線斷的故障。

4.2.2 進(jìn)一步對(duì)故障的HID印制板組件進(jìn)行核查：

（1）測(cè)量了-400V電壓，證明DC/DC升壓電路正常、電源濾波電路正常和主芯片控制電路正常；

（2）測(cè)量了+400V電壓，證明倍壓電路正常；

（3）檢查全橋驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)量了4個(gè)(Q6、Q7、Q8、Q9)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管，發(fā)現(xiàn)Q7的D與S之間的電阻為16.5Ω，正常為兆歐以上，由此判斷MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7損壞。更換新的MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7，點(diǎn)燈燈不亮，進(jìn)一步檢查驅(qū)動(dòng)線路U2的第27腳開路，隨后同時(shí)更換驅(qū)動(dòng)線路U2和MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7，燈工作正常。由此定位故障為驅(qū)動(dòng)線路U2和MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7失效引起的。

圖4 驅(qū)動(dòng)線路故障樹

4.3 失效機(jī)理分析

4.3.1 驅(qū)動(dòng)線路U2失效機(jī)理分析

建立驅(qū)動(dòng)線路U2故障樹，見圖4，排查如下：

（1）器件質(zhì)量。驅(qū)動(dòng)線路U2隨產(chǎn)品進(jìn)行了環(huán)境應(yīng)力篩選以及高低溫驗(yàn)收試驗(yàn)的考核，驅(qū)動(dòng)線路同批次器件隨其它產(chǎn)品在使用過程中未發(fā)生故障，可排除驅(qū)動(dòng)線路U2器件質(zhì)量問題。

（2）溫度應(yīng)力。驅(qū)動(dòng)線路U2器件溫度范圍為-55℃～150℃，由于溫度范圍寬，主要為高溫應(yīng)力，但實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)線路U2周邊溫度最高的部分為HID燈泡，HID燈泡實(shí)測(cè)最高溫度為110℃，未超過150℃?？膳艤囟葢?yīng)力問題。

（3）電應(yīng)力影響。HID著陸燈的U2失效分析報(bào)告所述：“驅(qū)動(dòng)線路因第27管腳開路而失效，第27管腳與其它管腳之間均呈開路特性，且多個(gè)管腳之間也存在漏電現(xiàn)象”。啟封鏡檢發(fā)現(xiàn)第27管腳的鍵合絲已熔斷，第26、27、28管腳內(nèi)鍵合點(diǎn)附近均存在過流燒毀痕跡，內(nèi)部芯片多處與這三個(gè)管腳相關(guān)聯(lián)的部位均存在過流痕跡。失效分析結(jié)論：該電路的失效是由于受到異常電應(yīng)力，造成第27管腳流經(jīng)大電流，鍵合絲熔斷開路所致。

4.3.2 MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7失效機(jī)理分析

建立MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7故障樹，見圖5，排查如下：

圖5 MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7故障樹

（1）器件質(zhì)量。MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7隨產(chǎn)品進(jìn)行了環(huán)境應(yīng)力篩選以及高低溫驗(yàn)收試驗(yàn)的考核，MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7同批次器件隨其它產(chǎn)品在使用過程中未發(fā)生故障，可排除MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7器件質(zhì)量問題。

（2）溫度應(yīng)力。MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7器件溫度范圍為-55℃～150℃。由于溫度范圍寬，主要為高溫應(yīng)力，但實(shí)測(cè)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7周邊溫度最高的部分為HID燈泡，HID燈泡實(shí)測(cè)最高溫度為110℃，未超過150℃?？膳艤囟葢?yīng)力問題。

（3）電應(yīng)力影響。該MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管經(jīng)失效分析，認(rèn)為：“該管子引出端之間電特性測(cè)試，管子第2端（S）與第3端（D）之間呈漏電特性。外部目檢未見異常，超生清洗后漏電現(xiàn)象依然存在，排除了外部原因?qū)е鹿茏邮У目赡苄?。開封目檢芯片表面邊角部位有燒毀形貌，該管子為MOSFET管，漏極為芯片背面引出，源、漏之間引入異常電壓應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致源、漏之間擊穿，產(chǎn)生低阻通路，過大電流將芯片燒毀。分析結(jié)論：該是由于受到異常電壓應(yīng)力作用，導(dǎo)致芯片在薄弱部位擊穿燒毀，管子無功能而失效。”

4.3.3 產(chǎn)生異常電應(yīng)力的原因分析

經(jīng)分析，認(rèn)為HID控制線路原理設(shè)計(jì)存在如下不足（見圖6）:

（1）如圖6所示，R41、L4、L5、L6、L7，C64、C65、C66、C67組成的LRC電路在HID電路點(diǎn)火期間接近于振蕩狀態(tài)，產(chǎn)生過電壓，幅值大于驅(qū)動(dòng)線路U2耐壓極限(550V)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)線路U2損壞。

（2）電阻R42、R43、R44、R45阻值過小(100歐)，設(shè)計(jì)裕量不足，上、下橋臂驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間過短（0.6μs），存在直通。

（3）施加高溫和振動(dòng)等綜合應(yīng)力時(shí)，存在不能點(diǎn)火的情況，電極電壓不能泄放。

圖6 線路圖

以上三個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)線路U2和MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管Q7等器件失效。

4.4 改進(jìn)措施

根據(jù)分析制定以下改進(jìn)措施：

（1）在驅(qū)動(dòng)線路U2的-400V和地之間增加TVS（P6KE520C）管，吸收瞬態(tài)電壓尖峰；

（2）將全橋的R42、R43、R44、R45的阻值由100歐改為390歐，以延遲上橋臂的開啟時(shí)間；同時(shí)每個(gè)電阻并聯(lián)一個(gè)二極管BAS16，以加快下橋臂的關(guān)斷時(shí)間；

（3）將HID光源的高壓包磁芯加大（匝數(shù)比3：150不變，磁芯由X6改為X8，長(zhǎng)度不變），以增加點(diǎn)火能量。

5.結(jié)束語

HID著陸燈落實(shí)更改措施后，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)表明試驗(yàn)結(jié)果合格；改進(jìn)后的HID著陸燈經(jīng)外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，未出現(xiàn)HID燈不亮故障，證明改進(jìn)措施有效。

（作者單位：陸航駐蘭州地區(qū)軍事代表室）