浪涌抑制器瞬態尖峰電壓測試后失效原因分析?

袁 文 張文輝

（貴州航天計量測試技術研究所 貴陽 550009）

1 引言

隨著機載電子設備的日益增多和功能日趨完善，機載電子設備的抗浪涌保護顯得尤為重要。在飛機供電系統中或其他系統中，當負載突變或繼電器、接觸器觸點的接通和斷開時會引起電壓瞬變，出現持續時間較長的電壓浪涌，可能造成其他設備不能正常工作甚至損壞。因此浪涌抑制器越來越多的應用到了各種電子設備中。浪涌抑制器是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置［1］。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時（本文所指浪涌抑制器均為浪涌電壓抑制器），浪涌保護器能在極短的時間內導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害［2］。

2 失效概述

某公司生產的浪涌抑制器（共2只編號：217#、218#）在進行電路壓降和輸出電流兩個參數測試后，利用試驗設備（ZJ-3A型浪涌信號發生器和8282-1型尖峰信號發生器）對另兩個參數（過壓浪涌發生時輸出電壓和瞬態尖峰電壓）進行測試［12］。在完成過壓浪涌發生時輸出電壓的測試后，兩只器件功能正常；在進行瞬態尖峰電壓測試后，兩只器件無輸出，器件功能失效。針對該問題，進行失效原因分析。

3 故障定位

3.1 故障查找與定位

發現器件失效后，通過生產廠了解到該器件采用的是厚膜混合集成電路工藝，裸芯片組裝，全密封金屬外殼［3，8］。其工作原理如圖1所示。

利用X光機對失效器件進行了X射線照相檢查，發現兩只器件輸入端鍵合金絲熔斷，分別如圖2、圖3所示。

圖1 器件工作原理圖

圖2 218#器件局部X光圖

圖3 217#器件局部X光圖

對器件進行開帽后檢查發現兩只器件內部輸入端（輸入端原理圖如圖4）的穩壓管D1（型號1N4742）和三極管Q1（型號FZT653）的鍵合金絲都已經熔斷（圖5、圖6），基本確定是由于電流過大所致［11］。同時發現218#器件主控芯片有燒毀痕跡（圖7）。

圖4 輸入端原理圖

就失效現象和測試方法進行研究分析，確定是在進行瞬態尖峰電壓測試時通過器件的電流過大導致了器件失效。因此將問題定位于瞬態尖峰電壓的測試過程［4］。

圖5 217#器件輸入端穩壓管、三極管

圖6 218#輸入端穩壓管、三極管

圖7 218#器件主控芯片

3.2 建立故障樹

根據浪涌抑制器失效的問題展開分析，并建立故障樹，見圖8。該故障樹由頂事件E1、一個中間事件E2以及5個底事件X1、X2、X3、X4、X5組成［9，15］。

圖8 浪涌抑制器測試失效故障樹

3.3 故障樹分析

3.3.1 測試人員操作失誤（X1事件）

經檢查測試時的接線方式按驗證時的接線連接，設備操作按設備使用說明書的要求操作，確認在瞬態尖峰電壓測試時測試人員不存在操作失誤，因此可以排除X1事件。

3.3.2 測試設備異常（X2事件）

經檢查所用的測試設備8282-1型尖峰信號發生器在計量有效期內使用，且在器件失效后對設備進行了重新校準驗證，確認設備在測試時無異常，因此可以排除X2事件。

3.3.3 器件自身質量問題（X3事件）

通過開帽照相分析檢查，發現器件輸入端鍵合盡絲熔斷，確認是由于輸入端通過的電流過大造成。同時檢查器件的篩選和出廠檢測報告，結果均合格。可以排除器件本身質量問題，因此可以排除X3事件［6］。

3.3.4 未帶載測試（X4事件）

圖9 實際瞬態尖峰電壓測試連接圖

由于在瞬態尖峰電壓測試時，實際測試線路（圖9）中未按器件技術協議中提供的瞬態尖峰電壓測試連接圖中（圖10）要求的在器件輸出端連接電子負載測試。經用生產廠提供的樣片進行了驗證測試，證實了未帶載測試只會對輸出幅度造成影響（空載輸出值28V，帶載2A輸出值27.5V），不會造成大電流使器件內部鍵合金絲熔斷，因此可以排除X1事件。

圖10 技術協議要求瞬態尖峰電壓測試連接圖

3.3.5 施加尖峰電壓過高（X5事件）

由于我所使用的尖峰信號發生器是在5Ω阻抗匹配條件進行的輸出校準，其等效電路如圖11所示，圖中UO為尖峰信號發生器的輸出指示值。在進行瞬態尖峰電壓測試時，測試人員理解試驗條件尖峰電壓是設備輸出指示值為600V，生產廠是在輸出開路條件下用示波器（1MΩ阻抗）監測圖10中A、B端為600V尖峰電壓作為試驗條件［5］，后經實際測試驗證，在開路狀態下，當尖峰信號發生器（8282-1）設置輸出尖峰電壓指示值為600V時，用示波器（內部阻抗1MΩ）在源阻抗變換器（2201-2）輸出端（圖10中A、B端）測得的實際開路尖峰電壓為1200V［4］。

圖11 尖峰信號發生器校準等效電路

3.4 分析結果

通過以上故障樹中各個事件的詳細描述可以得出結論，浪涌抑制器瞬態尖峰電壓測試后失效是因為在瞬態尖峰電壓測試時施加的尖峰電壓過高導致器件輸入端通過的電流過大以致器件失效。

4 原因及機理分析

在圖11中，當調節尖峰信號發生器指示值Uo為600V時，由歐姆定律可以計算出內部阻抗Z0的電壓為Uz0=（600V/5Ω）×5Ω=600V，此時尖峰信號發生器內部源 U0輸出的電壓為600V+600V=1200V［11］。因此在進行瞬態尖峰電壓測試時，源阻抗變換器2201-2的作用是把尖峰信號發生器的內部阻抗通過其變換成50Ω（等效電路如圖12所示），即Z0+ZB=50Ω，當尖峰信號發生器輸出指示值UO設置為600V時，尖峰信號發生器內部源U0輸出的電壓為1200V，所以用1MΩ阻抗示波器在A、B點間測試的尖峰電壓UAB=［U0/（Z0+ZB+ZL）］×ZL=［1200V/（50Ω+1000000Ω）］×1000000Ω≈1200V。此時通過源阻抗變換器（2201-2）疊加到被測器件輸入正端的尖峰電壓約為1200V。

圖12 瞬態尖峰電壓測試

由于在進行瞬態尖峰電壓測試時，器件的輸入端（圖4）引入了1200V瞬態尖峰電壓，遠超過圖1中限幅電路設計值600V瞬態尖峰電壓。使通過限流電阻R1（阻值3kΩ）的瞬態電流過大（1200V/3000Ω=0.4A）超過穩壓管D1（型號1N4742）能夠承受的最大工作電流（指標為0.076A）以及瞬態電流（指標為0.38A），因此在瞬態尖峰電壓測試時（1分鐘施加50次）當尖峰電壓施加幾次后導致D1失效［7］。以致尖峰電壓沿著晶體管Q1的基極導通至發射極VCC端，VCC是后續控制電路（包括主控芯片等）的電源端，正常情況下幅度在11.3V，由于Q1的擊穿導通使尖峰電壓直接引入到后續電路中，致使主控芯片等燒毀［10］。

5 故障復現

經過實際模擬測量證實了在進行瞬態尖峰電壓測試時，施加到器件輸入端的尖峰電壓為1200V，遠遠大于器件設計指標（600V）及冗余量（700V左右），因此可以判斷如果將1200V瞬態尖峰電壓按每分鐘50次的頻率施加到被測浪涌抑制器輸入端，肯定會造成被測器件損傷或失效［14］。

6 結語

綜上所述，浪涌抑制器瞬態尖峰電壓測試后失效原因是在瞬態尖峰電壓測試時施加的尖峰電壓過高所致。為防止后續測試操作出現類似問題，建議在瞬態尖峰電壓測試時依據《GJB181-86飛機供電特性及對用電設備的要求》在開路條件下用示波器監測圖9中A、B點的尖峰電壓為測試要求電壓作為測試時的施加條件［13］。