某型無線電高度表電源模塊失效分析

高峰 饒盛 關震

摘要：針對無線電高度表直流電源轉換模塊生產過程中出現的質量問題，通過電性能參數檢查、整體氣密性檢查以及器件內部結構檢查，具體分析了電源模塊的失效原因，并提出了防護措施，為后期電源模塊的設計改進提出要求并制定相應的預防措施。

關鍵詞：電源模塊;氣密性檢查;電容失效;預防措施

0引言

無線電高度表直流電源轉換模塊作為部件主要供電器件，具有結構相對簡單、穩定性好、可靠性高等特點，但是一旦在電源模塊生產過程中出現質量問題，將影響無線電高度表的正常使用。

某型航空裝備在掛機飛行過程中空中自檢發現故障，將該型裝備帶回地面進行檢查，測試發現是該裝備的無線電高度表電源故障。為了深入查找無線電高度表電源故障原因，對電源模塊的性能參數、結構原理、電性能進行測試，綜合考慮產品貯存環境的變化，對電源模塊內部器件的失效機理進行深入分析。按照國軍標的要求，對電源模塊的氣密性、元器件性能進行檢查，發現電源模塊在生產過程中存在密封材料、密封性能及電容抗脈沖能力差等缺陷。

1故障分析過程及定位結果

查詢以往的無線電高度表故障情況，發現2014～2016年出現了多次無線電高度表電源測試參數異常情況，具體表現為+27V電源消耗異常，進一步分解檢查，確定故障原因為無線電高度表電源模塊失效。為此，對電源模塊及其外圍電路進行分析。

1.1功能原理分析

1）電源模塊原理分析

a.封裝形式

電源模塊整體采用金屬封裝方式，將轉換電路整體放入密閉的金屬殼內，并灌入硅膠密封，最后整體焊接在電路板上。

b.內部電路結構

電源模塊采用開關電路方式，在模塊內部形成LLC諧振電路，產生高頻脈沖信號，通過MOS開關管將輸入的直流+28.5V電壓轉換為快速脈沖信號，經過高頻變壓器降壓、整流、濾波后輸出+5V和±15V電源電壓，其原理如圖1所示。

2）電源模塊外圍電路分析

無線電高度電源板為單板式結構，其主要功能是將輸入的直流+28V、±2.8V電壓轉換輸出為+5V、±1 5V電壓，為其他電路板提供電源，其原理如圖2所示。

電源板由整流濾波電路、電源模塊、輸出三個部分組成。

電源模塊前級和后級的濾波電路由鉭電容c1、C2、c3、C4、C13、C14、互感線圈L1、電感L2、整流二極管Vdl和抗飽和穩壓管Vd2組成，主要功能是濾除輸入的+28V電源中的各種紋波電壓，同時降低瞬間浪涌電壓對電源模塊的影響。

電壓轉換器件是兩種不同型號的電源模塊，兩個模塊分別獨立輸出+5V和±15V電源，+5V電源輸出的最大電流為2000mA，±15V電源輸出的最大電流為500mA。

輸出電路由濾波器和電容構成，其中濾波器是帶鐵芯的電感線圈，可以濾除頻率較高的紋波及尖峰脈沖，電容可以濾除頻率較低的紋波，使輸出的電源更加平穩。

1.2電源模塊故障定位

根據上述原理，用FLUKE45數字萬用表歐姆檔對電源模塊的輸入、輸出端電阻進行測量，測量結果為輸入電阻趨近于0，輸出電阻趨近于無窮大，因此初步判斷電源模塊失效。

出現故障的電源模塊生產年份較早，并經歷非密封環境長期貯存，受外部水汽影響概率較大;同時考慮到電源模塊采用環氧樹脂固定的形式封裝，其內部采用大量的分立元件實現AC-DC電源轉換功能，因內部器件失效而引起電源故障的概率較大。因此，隨機選出4件電源模塊進行失效分析，以確定電源模塊失效的原因。

2分析過程

為了深入查找電源模塊失效原因，對型號為JZF28D15/500D、JZF28S5/2000D共計4個電源模塊（批次為0501、0502）進行器件失效分析，發現4個電源模塊存在以下問題。

進行測試的4個電源模塊在引腳密封處均有氣泡冒出，氣密性檢查不合格。檢查結果及檢查外觀圖如表1、圖3所示。

生產編號為0502007的電源模塊在進行通電測試時輸出電壓合格。在進行開封后外觀檢查時發現有電容脫落，經立體顯微鏡檢查，該鉭電容的有效焊接面積很少。同時，在檢查該模塊正面電路時發現該脫落電容與另外相同功能、相同位置的鉭電容極性相反，說明該模塊存在質量問題。對該電容進行測試時漏電流性能超標。模塊背面存在擊穿燒毀的鉭電容。其性能測試參數結果及失效外觀如表2、圖4、圖5所示。

批次號為0502006的電源模塊內部3只鉭電容嚴重燒毀，拆下尚未出現問題的電容進行測試，結果為漏電流不合格，視為失效，如圖6所示。

批次號為0501077的電源模塊開封后目檢發現其正面電路存在虛焊，模塊正面電路上的四個濾波電容均存在虛焊，已開路。對其濾波電容的電容量、損耗角正切、漏電流測試，均合格。

除已失效的電容外，對3個電源模塊內其他器件進行測試，性能合格。批次號為0502006的電源模塊因電容失效、電路板損壞嚴重，未進行通電測試。

3失效原理分析

基于上述分析可知，電源模塊內電解電容器在工作應力和環境應力的作用下，隨著貯存時間的延長發生了性能失效。例如，溫度應力既可以促使表面氧化、電場強度下降、加速介質擊穿，還在潮濕環境下加快了電容的老化程度，加速了電參數的退化。因此，電容器的失效機理與產品類型、材料種類、機構差異、制造工藝及環境條件、工作應力等諸因素有密切關系。

從內部失效機理進行分析，主要考慮鉭電容制備過程中物理特性所導致的缺陷。鉭電容雖然具備體積小、壽命長及容量誤差小等優點，但由于其抗脈沖能力較差及耐電壓、電流能力較弱等缺陷，導致在電源行業出現多次鉭電容失效、燒毀甚至爆炸等故障事件，批次號為0502006的電源模塊就因鉭電容漏電流超標、失效導致電源模塊失效，輸出端短路。因此，設計單位已針對再修產品中的鉭電容進行了替換處理，避免故障隱患的發生。

從外部失效機理進行分析，主要從環境因素及人為因素方面考慮失效原因。元器件是有使用壽命的，基本理論上的使用壽命比實際使用壽命時間長，理論上的參數都是在理想環境下的損耗時長。在實際使用中，影響使用壽命的環境因素有很多，如灰塵、雜志、溫度、濕度等。電源模塊在貯存環境狀態良好的情況下，有其能夠保持長期有效性的環境適應范圍。在電源板上，由于生產工藝中僅使用具有絕緣要求的硅膠進行固定，無密封性要求，因此在長期貯存的情況下，可能由于外部水汽的侵入、電源模塊的密封性失效引起整體電路的性能下降，器件的參數會發生變化甚至失去原有的功能。因此，需要從氣密性工藝，元器件防護工藝（刷涂、噴漆、浸涂、淋灌等）及產品貯存環境因素等方面綜合對元器件的外部失效原因進行分析。

4結論

根據上述分析，綜合這兩型模塊的失效部位、失效模式以及良品鉭電容漏電流測試機耐壓試驗情況，得出導致模塊失效的主要原因。

模塊中MOs管在關閉時，初級、次級線圈的脈沖電壓過高，輸出回路中未有尖峰抑制器（飽和電感），導致其濾波電容擊穿;由于無線電高度表為非密封部件，內部無充氮保護，在貯存環境條件不良的情況下，產品經過長時間貯存且通電時間較短，外部水汽易進入至電源模塊內部，影響模塊內器件性能。

5預防措施

由于出現故障的電源模塊具有批次性問題特征，且安裝在無線電高度表內部存放時間較長，綜合電源模塊失效分析結論，提出如下預防措施。

制造設計廠家根據此次檢查問題改進氣密性設計生產工藝，選用效果較好的密封材料，并應選換抗脈沖能力強的電容元器件，避免由于脈沖電壓過高導致濾波電容擊穿進而導致電源模塊失效的情況。

無線電高度表生產單位生產工藝中在添加電路板防護的基礎上，涂覆適當的三防漆以避免電路板正面焊點氧化;在模塊安裝部位涂覆密封膠，對模塊進行密封，降低水汽對模塊的影響;增強生產過程中的檢驗力度，防止出現元器件虛焊、極性反接等質量問題。產品使用單位應加強對產品貯存環境的把控，嚴格控制貯存環境的溫濕度，避免由于環境原因導致的電容漏電性能劣化，并對產品定期進行通電檢查，保持電源模塊鉭電容的耐壓性，降低元器件失效問題發生的概率。