任務計算機上電啟動異常故障的分析與解決

曹興岡

（中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

上電啟動是任務計算機電源模塊的重要性能之一，在系統測試和應用時，存在一些問題，嚴重影響了任務計算機系統功能正常運行。解決電源模塊上電啟動異常問題[1]，對于任務計算機系統穩定、可靠運行具有重要意義。

1 故障現象

任務計算機中電源模塊上電啟動，進行加電測試，上電一次出現二極管V4開路故障，導致任務計算機啟動異常。

2 故障分析

任務計算機中電源是將機上一次電源通過兩級轉換產生計算機所需的5 V、±15 V。圖1為電源供電原理框圖。

電源上電啟動原理電路如圖2所示，電阻器R1、R2、穩壓管VE1及場效應管V3等器件構成線性降壓電路，將輸入28 V降至15V啟動電壓（VSTART），為PWM驅動芯片（N3）供電。二極管V2、V4構成或門電路，正常供電條件下，28 V輸入通過V2為啟動電路供電；輸入28 V瞬態斷電時，儲能電容C10、C25通過V4為啟動電路供電，維持50ms欠壓工作。

圖1 電源供電原理框圖

2.2 測量分析

通過示波器測量V2輸入端即28 V輸入端電壓，在啟動過程中出現了時長約90 ms的震蕩，幅值約為60 V，如圖3所示。1、2通道分別為V2的正負波形；2、3通道分別為V4的正負波形。

將電源模塊單獨隔離進行測試，上電后28 V波形正常，所以問題分析應出現在任務計算機與內部電源的系統工作存在異常，如圖4所示。

圖3 測量波形圖

圖2 電源上電啟動電路原理圖

圖4 電源模塊獨立測試波形圖

根據該電源模塊電路原理，輸入保護電路的輸出為DC/DC變換器提供電壓、電流。輸入保護電路的參數，決定了電源模塊的啟動時間、DC/DC變換器輸出臺階寬度及電壓爬升斜率。啟動建立時間越短，臺階寬度越窄；啟動建立時間越長，臺階寬度越寬。

2.2.1 輸入保護電路分析

電源模塊的啟動時間由輸入保護電路中參數控制。輸入保護電路實現了過壓浪涌抑制功能，電路由場效應管及驅動電路組成。該電路利用場效應管的輸出特性，同時對電源模塊的啟動時間特性實現了控制。

該電路通過對MOSFET進行鉗位驅動控制，實現了浪涌保護功能；同時驅動電路通過RC充電延時控制MOSFET的導通時間，實現了電路的軟啟動。

2.2.2 啟動工作分析

由MOSFET的轉移特性和輸出特性可以看出，MOSFET的Vgs電壓決定了漏極電流。電源模塊輸入保護電路中的RC緩沖電路控制著MOSFET的Vgs電壓，Vgs電壓控制著MOSFET的輸出電流。RC緩沖電路由12.4K電阻和10μF電容組成，充電電壓按照波形（見圖5）進行充電；電源模塊中MOSFET的輸出特性Vgs-ID如圖6所示。

由圖6可以看出，在電源模塊的啟動過程中，MOSFET完全導通需要約200 ms，在此期間，MOSFET工作在非飽和區，呈現可變電阻特性，場效應管輸出電流被驅動限制，不能為DC/DC變換器正常工作提供足夠的電流和功率，致使電源模塊輸出出現了臺階或電壓爬升緩慢的現象。同時，在啟動過程中，電源模塊前端（濾波器輸入）電壓也出現了時長約90 ms的抖動，屬于非正常的暫態現象。

DC/DC變換器與后級負載工作在恒功率狀態，呈現輸入負阻抗特性[2]，且電壓大于15 V才開始工作。在啟動瞬間，電壓抖動由于濾波器中的電感、處于可變電阻特性的MOSFET以及負阻抗恒功率DC/DC變換器三者共同作用，產生了電壓抖動。由于場效應管輸出電流被驅動限制，不能提供足夠電流和功率，DC/DC變換器反復啟動、關斷[3]，濾波器中的電感在DC/DC變換器關斷后，電感電壓反向，以保持安匝數恒定，出現計算機電源模塊前端（濾波器輸入）電壓抖動。

電路啟動過程中的電壓抖動原因較復雜，可以簡化成RLC模型、恒功率負載模型、乒乓開關組合模型。通過仿真，結果顯示電源模塊前端（濾波器輸入）電壓出現抖動現象，仿真結果與實測結果一致。

分析更改MOS管驅動RC緩沖電路的時間常數τ值=RC，使MOS管在更短的時間內導通，快速建立場效應管輸出電流可以有效地解決這個問題。

實際操作通過更改τ值以解決電源上電抖動問題。將R17進行短接，測試電源插入任務計算機接入負載。圖7為輸入電壓及沖擊電流波形圖。

綜合分析得出結論，因為MOS管驅動RC緩沖電路的τ值參數設置存在問題。

RC充電由τ值決定，τ值小，則驅動電壓建立快，MOSFET的導通就快；τ值大，則驅動電壓建立慢，MOSFET的導通就慢。輸入保護電路中RC緩沖電路的參數決定了電路中的τ值，τ值變化導致的驅動電壓變化如圖8所示。

時間常數τ越大，電路達到穩定的時間越長，過渡過程也越長，使MOS管導通時間過長，不能快速地進入完全導通狀態。場效應管輸出電流被驅動限制，不能為DC/DC變換器啟動工作提供足夠的電流和功率，致使電源模塊輸出出現了臺階或電壓爬升緩慢的現象。

圖8 τ值-Uc電壓圖

3 處理措施

通過分析，故障的根本原因是電源啟動電路中MOS管驅動RC緩沖電路的時間參數τ值設置不合理，導致了任務計算機上電異常，產品不能正常啟動，對比兩種方法，可得短接R17可以有效地解決啟動時電壓抖動，而且沖擊電流更小。經過試驗驗證，從理論和工程上消除該故障。

4 結 論

通過消除任務計算機電源模塊上電抖動問題，解決了上電起動異常故障，同時在類似產品電路驗證充分，使得任務計算機系統功能、性能達到穩定可靠。