橫滾角速率測量組件高溫?zé)o輸出故障分析

摘要：某型橫滾角速率測量組件在首飛安全試驗中的溫度-高度試驗中出現(xiàn)產(chǎn)品信號無輸出故障現(xiàn)象，通過現(xiàn)場確認(rèn)、故障定位、機理分析和復(fù)現(xiàn)驗證，對故障進行了剖析，探尋故障產(chǎn)生的根源，提出了改進措施，并在實際應(yīng)用中驗證了措施的有效性。

關(guān)鍵詞：電源模塊；帶載能力；功耗；故障樹

Keywords：power module；load capacity；power consumption；fault tree

1 故障情況

橫滾角速率測量組件的主要功能是將測量得到的三軸角速率、三軸加速度信息和解算得到的俯仰、傾斜角信息發(fā)送給飛控計算機。橫滾角速率測量組件由三軸陀螺、三個單軸加速度計、解算板、接口板、電源板和機箱組成，如圖1所示。

橫滾角速率測量組件在進行首飛安全試驗中的溫度—高度試驗時，當(dāng)試驗進行至環(huán)境溫度85℃、高度為地面時出現(xiàn)產(chǎn)品信號無輸出的故障現(xiàn)象。故障時28V消耗電流變?yōu)?.13A，明顯低于橫滾角速率測量組件正常工作的消耗電流。橫滾角速率測量組件正常工作時，28V消耗電流應(yīng)不低于0.2A。

2 故障定位及分析

橫滾角速率測量組件主要實現(xiàn)對飛機橫滾角速率信息的采集與上報，橫滾角速率測量組件內(nèi)部功能模塊包括傳感器（陀螺和加表等）、信號采集電路、FPGA功能電路、DSP功能電路、飛控通信功能電路、電源六個部分，如圖2所示。

傳感器主要用于感測橫滾角速率測量組件的角速率、加速度等信息；信號采集電路主要實現(xiàn)將各傳感器感測的信號轉(zhuǎn)換成FPGA功能電路能夠識別的數(shù)據(jù)；FPGA功能電路主要實現(xiàn)信號接收與發(fā)送功能，該功能由FPGA芯片及其外圍電路實現(xiàn)；DSP功能電路主要實現(xiàn)對FPGA發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解算，從而得到飛機的姿態(tài)信息、補償后的三軸角速率信息及三軸加速度信息；飛控通信功能電路主要實現(xiàn)橫滾角速率測量組件與飛控計算機之間的HB 6096數(shù)據(jù)通信，該通信功能通過ARINC 429芯片實現(xiàn)；電源部分為整個橫滾角速率測量組件提供能量輸入。

依據(jù)故障現(xiàn)象，分析得出導(dǎo)致該故障現(xiàn)象的可能原因，包含電源模塊無28V輸入、電源模塊故障、電源轉(zhuǎn)換芯片故障、ARINC 429芯片、FPGA故障，由此建立故障樹（見圖3）。

2.1 電源模塊無28V輸入排查

故障時，使用萬用表測試濾波器輸出及電源模塊的28V輸入，測得值均為28V，滿足電源模塊12～35V的輸入要求，可排除底事件EVENT1、EVENT2。

2.2 電源模塊故障排查

EVENT3——28V轉(zhuǎn)5V失效排查：故障時，萬用表測試電源模塊輸出的5V電壓下降至3.3V。相同條件下，斷開后級負(fù)載電路后單獨測試電源模塊，萬用表測得電源模塊輸出的5V電壓值為4.96V，暫無法排除該底事件。

EVENT4——28V轉(zhuǎn)±15V失效排查：故障時，萬用表測試電源模塊輸出的±15V電壓，測得值分別為14.95V和-14.9V，符合模塊±（15±0.15）V的輸出要求，該底事件可排除。

2.3 電源轉(zhuǎn)換芯片故障排查

EVENT5——5V轉(zhuǎn)3.3V失效排查：故障時，萬用表測試電源轉(zhuǎn)換芯片D7的輸出，3.3V電壓下降至1.2V。

EVENT6——5V轉(zhuǎn)2.5V失效排查：故障時，萬用表測試電源轉(zhuǎn)換芯片N1的輸出，2.5V電壓下降至0.82V。

EVENT7——5V轉(zhuǎn)1.8V失效排查：故障時，萬用表測試電源轉(zhuǎn)換芯片N2的輸出，1.8V電壓下降至0.56V。

EVENT8——5V轉(zhuǎn)1.26V失效排查：故障時，萬用表測試電源轉(zhuǎn)換芯片N4的輸出，1.26V電壓下降至0.37V。

EVENT9——5V轉(zhuǎn)1V失效排查：故障時，萬用表測試電源轉(zhuǎn)換芯片N3的輸出，1V電壓下降至0.27V。

因電源模塊5V輸出已經(jīng)發(fā)生掉壓，且低于電源轉(zhuǎn)換芯片的輸入范圍，會導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換芯片輸出電壓下降，故斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號，直接用5V穩(wěn)壓源給后級負(fù)載電路供電，在85℃條件下測試電源轉(zhuǎn)換芯片D7、N1～N4的輸出均在正常范圍內(nèi)，故可以排除底事件EVENT5～EVENT9。

2.4 ARINC429芯片故障排查

EVENT10——ARINC429芯片故障排查：故障時，測試ARINC429芯片JHI8586無輸入；斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號，直接用5V穩(wěn)壓源給后級負(fù)載電路供電，測試軟件顯示產(chǎn)品輸出正常，該底事件可排除。

2.5 FPGA故障排查

故障時，測試FPGA芯片無輸出，斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號，直接用5V穩(wěn)壓源給后級負(fù)載電路供電，測試軟件顯示FPGA輸出正常，可排除底事件EVENT11、EVENT12。

2.6 故障定位

通過底事件排查過程，可以確定85℃高溫時產(chǎn)品信號無輸出故障是由電源模塊輸出5V電壓下降導(dǎo)致的。組件所選電源模塊ZHDC19T0515/8W的5V輸出能力只有1A。斷開產(chǎn)品電源模塊5V輸出信號，在85℃高溫條件下直接用5V穩(wěn)壓源給后級負(fù)載電路供電，監(jiān)控5V輸出的消耗電流，電流鉗測得值在1.12A左右，超出了電源模塊5V輸出的帶載能力。因此，85℃高溫時產(chǎn)品信號無輸出故障是由于電源模塊5V帶載能力不足導(dǎo)致的。

3 故障原因分析

機上28V直流電源進入電源板后，通過電源防反接保護、濾波網(wǎng)絡(luò)后，通過電源模塊將28V直流電源轉(zhuǎn)換為±15V和+5V直流電源，然后通過接插件供給解算板、接口板、三軸陀螺及3個加速度計。原理框圖如圖4所示。

電源模塊選用XX/8W型標(biāo)準(zhǔn)模塊，具有5V-1A、15V-0.1A、-15V-0.1A的輸出能力，如表1所示。

對已交付產(chǎn)品實際消耗電流進行梳理統(tǒng)計（見表2），可見橫滾角速率測量組件5V輸出消耗電量隨溫度升高明顯，在高溫70℃時5V輸出電流已逼近輸出能力。故下面重點分析電源模塊5V帶載能力。

橫滾角速率測量組件5V電源輸出主要用于為FPGA、DSP、三軸陀螺儀、加速度計供電，產(chǎn)品常溫工作及高溫85℃工作時電源模塊5V帶載情況如表3所示。

由表2～表3可知，產(chǎn)品5V輸出帶載的FPGA芯片、DSP芯片、陀螺、加表的功耗隨著溫度的升高都會有一定程度的增加。其中，F(xiàn)PGA功耗隨溫度升高而增加的特性表現(xiàn)尤為顯著。

85℃條件下，僅FPGA即需要2.265W的功耗，由表3可見電源模塊5V輸出帶載的總功耗不低于5.6W，而提供二次電源的模塊5V輸出能力只有5W的額定功耗輸出能力，小于需要的功耗，進一步說明其帶載能力不足，導(dǎo)致在85℃條件下，F(xiàn)PGA無法啟動，無法正常向ARINC 429接口芯片發(fā)送控制信號，使產(chǎn)品無法輸出信號。

4 故障復(fù)現(xiàn)及糾正措施

故障件斷電，恢復(fù)到常溫，重新上電，產(chǎn)品能夠正常工作，功能性能符合技術(shù)協(xié)議要求。升溫到70℃，對產(chǎn)品進行功能性能測試，符合技術(shù)協(xié)議要求。恢復(fù)環(huán)境溫度85℃，通電后正常工作約10min后，故障復(fù)現(xiàn)。

采取糾正措施，增加電源模塊的輸出能力，采用兩個電源模塊實現(xiàn)28V轉(zhuǎn)5V和28V轉(zhuǎn)±15V的功能。依據(jù)表2中5V功耗理論計算結(jié)果，28V轉(zhuǎn)5V功能所選電源模塊XX/3W輸出電流能力2A，紋波35mV；理論計算得出±15V功耗不超過1.3W，故28V轉(zhuǎn)±15V功能所選電源模塊XX/10W電流輸出能力0.1A，能力保持不變。

對采取改進措施后的橫滾角速率測量組件進行70℃和85℃的工作試驗。試驗結(jié)果表明，更換了增加電源模塊的電源板后，產(chǎn)品符合協(xié)議要求。試驗及后期裝機使用過程中均未再出現(xiàn)該故障。

5 結(jié)論

此次橫滾角速率測量組件高溫?zé)o輸出故障，暴露出產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，提示設(shè)計人員在設(shè)計過程中應(yīng)對產(chǎn)品性能進行充分的論證、仿真及驗證，重視驗證試驗。方案設(shè)計過程中應(yīng)重視元器件選型分析，預(yù)留合適的設(shè)計余量，以有效提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。

作者簡介

李妍，碩士，工程師，研究方向：導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。