直流電源監控器故障解析

摘 要：針對電源監控器的故障現象，展開故障源理論的分析，列出故障樹并逐項排查，從而實現故障的定位。故障定位后還需要進行故障的復現，以驗證定位的準確性。然后提出解決問題的方法，并展開驗證，同時做解決措施的影響分析1，才最終完成故障的解決。

關鍵詞：異常復位;故障樹;故障復現;反向尖峰電壓;泄放二極管

電源系統是飛機供電系統的重要組成部分，飛機在地面進行維護、檢修等時常需要從地面向機上提供電源，電源監控器就是介于地面電源與機上電網之間的一個電源保護裝置，通過監測地面電源的品質，如過壓/欠壓，實現對機上用電設備的保護。完善電源監控器的設計，對于保護機上用電設備具有重要的意義。本文主要對電源監控器異常復位的故障進行了實例分析，遵循故障歸零的程序方法，提出有效的改進措施。

1 概述

1.1電源監控器

電源監控器（以下簡稱監控器）屬于機上電源系統，其功能是當地面電源正常時，監控器控制直流電源接觸器導通，將外部電源接入機上電網;當地面電源不正常時，監控器不接通直流電源接觸器，使外部電源不能接入機上電網;當接入機上電網的地面電源品質發生變化且超出要求時，監控器控制直流電源接觸器斷開，將地面電源與機上電網脫開。監控器原理框圖見圖1。

1.2故障現象

在使用地面蓄電池電源車（CT-2）給機上設備供電時，隨著電源車電量的消耗，其供電電壓出現欠壓（低于20.5VDC）時，監控器應以欠壓為判據，切斷電源車向機上電網供電，并保持自鎖狀態，即在監控器重新上電復位前維持機上電網斷電狀態。

但實際情況是該監控器切斷電源車向機上電網供電后，并沒有保持自鎖狀態，約3s后電源車電壓恢復至23VDC左右時，監控器控制直流電源接觸器導通，重新向機上電網供電，然后電源車電壓因再次接入負載而很快降至欠壓狀態，監控器繼續切斷電源車向機上電網供電，依然是約3s后電源車重新并網，故障現象重復出現。

2 故障定位

2.1問題排查

監控器正常工作時，其狀態指示綠燈亮，狀態指示紅燈滅。在上述故障現象發生時，觀察到監控器狀態指示紅燈和狀態指示綠燈出現同時閃亮的情況，該現象只有監控器正常上電啟動或者監控器復位時才會出現，而在上述故障過程中，監控器一直未斷電，故排除監控器正常上電啟動導致的指示燈閃亮，從而判斷監控器有異常復位情況發生，可能是監控器在判定電源車欠壓故障并切斷外部電源向機上電網供電瞬間，內部電路出現電壓波動干擾，導致監控器自身出現異常復位現象。

監控器自身的復位是由內部主控制芯片主導的，故根據該主控制芯片復位源分析，列出監控器自身異常復位的故障樹，并對故障樹的底事件展開逐一分析排查。

主控制芯片復位電路原理圖見圖2，故障樹見圖3。

監控器異常復位各底事件排查結果如下：

X1：上電/掉電復位

監控器的正常工作電壓范圍為：（7～50）VDC，在飛機使用地面電源CT-2供電過程中，供電電源CT-2在監控器異常復位發生過程中電源電壓未出現工作電壓超出監控器的工作電壓之外的現象，即在異常復位發生期間監控器未發生重新上電或者掉電現象，因此X1（上電/掉電復位）底事件可以排除。

X2：外部/RST引腳復位

/RST引腳為內部控制芯片C8051F020復位引腳，低電平有效，產生系統復位的最小/RST 低電平時間為10ns，如果該管腳在監控器控制外部電源欠壓斷電瞬間產生的外部低電平干擾大于10ns時，芯片可能產生異常復位，因此X2（外部/RST引腳復位）底事件待查。

X3：軟件強制復位

在軟件中向芯片SWRSEF位寫‘1將強制產生一個上電復位，軟件中未使用該復位功能，因此X3（軟件強制復位）底事件可以排除。

X4：時鐘丟失檢測器復位

時鐘丟失檢測器實際上是由 MCU 系統時鐘觸發的單穩態電路。 如果未收到系統時鐘的時間大于 100 微秒，單穩態電路將超時并產生一個復位。 在發生時鐘丟失檢測器復位后， MCDRSF標志（RSTSRC.2）將被置‘1 ，表示本次復位源為 MSD;否則該位被清‘0。/RST 引腳的狀態不受該復位的影響。把 OSCIN 寄存器中的 MSCLKE 位置‘1將使能時鐘丟失檢測器，軟件中未OSCIN 寄存器中的 MSCLKE 位置‘1，即未配置使用該復位功能，故X4（時鐘丟失檢測器復位）底事件可以排除。

X5：比較器0復位

向 C0RSEF 標志（RSTSRC.5）寫‘1可以將比較器 0 配置為復位源。應在寫 C0RSEF之前用 CPT0CN.7（見圖 8.3）使能比較器 0，以防止通電瞬間在輸出端產生抖動，從而產生不希望的復位。比較器 0 復位是低電平有效：如果同相端輸入電壓（CP0+引腳）小于反相端輸入電壓（CP0-引腳） ，則 MCU 被置于復位狀態。在發生比較器 0 復位之后，C0RSEF 標志（RSTSRC.5）的讀出值為‘1，表示本次復位源為比較器 0;否則該位被清‘0。/RST 引腳的狀態不受該復位的影響。軟件中向 C0RSEF 標志（RSTSRC.5）寫‘1，即未配置使用該復位功能，因此，X5（比較器0復位）底事件可以排除。

X6：外部 CNVSTR 引腳復位

向 CNVRSEF 標志 （RSTSRC.6） 寫 ‘1 可以將外部 CNVSTR 信號配置為復位源。 CNVSTR信號可以出現在 P0、P1、P2 或 P3 的任何 I/O 引腳，見“17.1 端口 0 – 端口 3 和優先權交叉開關譯碼器” 。注意：交叉開關必許被配置為使 CNVSTR 信號接到正確的端口 I/O。應該在將CNVRSEF 置‘1之前配置并使能交叉開關。當被配置為復位源時，CNVSTR 為低電平有效。在發生 CNVSTR 復位之后，CNVRSEF 標志（RSTSRC.6）的讀出值為‘1 ，表示本次復位源為 CNVSTR;否則該位讀出值為‘0 。/RST 引腳的狀態不受該復位的影響。軟件中未向 CNVRSEF 標志 （RSTSRC.6） 寫 ‘1，即未配置使用該復位功能，因此，X6（外部 CNVSTR 引腳復位）底事件可以排除。

X7：看門狗定時器復位

軟件中使用看門狗定時器復位功能，看門狗定時設置時間約為87ms，在程序運行異常時，看門狗定時器超時，監控器會出現芯片復位，監控器軟件程序經過第三方測評，在測評未發生過因軟件程序運行異常導致看門狗定時器超時復位的現象，而且本次故障多次重復發生，非偶發情況。因此，X7（看門狗定時器復位）底事件導致監控器異常復位的概率非常小，基本排除。

2.2排故結論及問題定位

總結排除故障樹分析情況，監控器異常復位原因由于內部控制芯片C8051F020復位管腳/RST受到低電平干擾導致芯片復位的概率最大。

為了準確定位監控器異常復位原因，在控制芯片C8051F020復位管腳/RST處進行測試：模擬地面電源欠壓故障，使監控器通過控制輸出端AO1和AO2斷開中間繼電器，緊接著后端直流接觸器也會斷開，在接觸器斷開瞬間用示波器測試捕捉該復位管腳處是否存在低電平干擾。

經示波器測試捕捉，發現在復位管腳/RST處存在一個約96ms的低電平干擾（C8051F020的/RST復位時間只需10ns），在此干擾下監控器控制芯片C8051F020發生了復位，測試捕捉圖片見圖4，故可以定位監控器異常復位的原因是由于內部控制芯片C8051F020復位管腳/RST受到低電平干擾。

3 機理分析

監控器控制端輸出Ao1和Ao2分別控制兩路中間繼電器，進而控制機上直流接觸器導通，實現地面電源向機上電網的并網供電。當地面電源出現過壓或欠壓故障時，監控器通過Ao1和Ao2控制中間繼電器和直流接觸器斷開，地面電源與機上電網脫開。由于直流接觸器為感性負載，在斷電瞬間會產生一個的很強的反向尖峰電壓，見圖4，該反向尖峰電壓將電源地電平瞬間拉低，主控制芯片信號地處也在此瞬間產生一個反向電動勢，導致主控制芯片C8051F020的復位管腳/RST處產生瞬時低電平干擾，電路圖見圖5。

4 故障復現

在產品原測試平臺基礎上增加后續中間繼電器和直流接觸器，并與電參系統交聯，使用大功率電源模擬地面電源，搭建出地面試驗環境，模擬地面電源過壓、欠壓故障，在兩種故障情況下均實現了故障復現。

在模擬地面電源過壓、欠壓故障時，檢測主控制芯片C8051F020的/RST復位管腳處電平變化情況，在直流接觸器斷電瞬間產生的反向尖峰電壓及/RST復位管腳處低電平干擾繼續出現。

5 采取的措施及驗證

5.1采取的措施

監控器異常復位是由于控制輸出端連接的機上中間繼電器、直流接觸器在斷電瞬間產生的反向尖峰電壓干擾到監控器內部主控制芯片C8051F020的/RST復位引腳所致，針對該原因在監控器輸出控制端Ao1和Ao2上對地反向并聯泄放二極管（型號2CZ5806）。

5.2地面/機上試驗驗證

在地面試驗環境下進行措施有效性驗證，監控器在地面電源過壓、欠壓時異常復位現象消失。

地面試驗環境中措施有效性驗證后，又開展了機上措施有效性驗證，監控器在地面電源過壓、欠壓時異常復位現象也消失。

5.3更改影響分析

a）理論分析

在監控器輸出控制端Ao1和Ao2上對地反向并聯泄放二極管（型號2CZ5806），Ao1和Ao2上控制輸出端直接連接后續繼電器線圈，對地并聯泄放二極管不影響正常輸出控制電平，該更改措施不會對后續電路造成影響。二極管2CZ5806參數見表1。

b）更改試驗驗證

對監控器進行硬件設計更改，將更改后的產品進行高低溫工作、高低溫貯存、振動、沖擊、加速度試驗驗證。經過上述試驗驗證后，監控器功能正常。

6 結語

按照故障歸零的程序方法，對電源監控器機上使用時出現異常復位故障問題的歸零定位準確、機理清楚，采取的改進措施經驗證有效，故障問題得到徹底解決。

參考文獻：

[1] 潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[Z].新華龍電子有限公司，2005年2月.

作者簡介：

楊倫（1980-），男，湖北隨州人，工程碩士，研究方向為測控系統與傳感器。