某型相控陣雷達電源失效分析

趙俊

摘要：介紹了某型相控陣雷達電源失效引起的雷達系統故障，分析了電源失效的原因以及對整個雷達系統產生的影響，針對雷達電源失效這一常見故障制定糾正預防措施，對糾正措施的效果驗證后固化，并協同研制單位在產品大修期間進行優化升級，提升了產品可靠性和修理質量。

關鍵詞：相控陣雷達；電子控制單元；失效；機理分析

Keywords：phased array radar；electronic control unit；failure；mechanism analysis

0 引言

某電源是某型相控陣雷達電源分系統的一部分，主要功能是輸出1路+36V、2路+5V、1路+12V和1路-5V穩壓電源，提供給某型相控陣雷達的T/R組件、波控等單元。

36V是該電源功耗最大的輸出支路，輸出電流達到64A。電路使用了500WDC/DC變換器，共5只并聯輸出，變換器模塊中設計了一個并聯控制電路，模塊上的PR腳之間通過隔離變壓器耦合接口可實現負載均流。5只模塊中的一只作為驅動器模塊，其余4只設置為倍增器模塊。驅動器模塊為主控模塊，發送同步脈沖到并聯（PR）母線，使各并聯模塊內高頻開關同步工作，從而強制各模塊輸出電流均衡。每個變換器模塊本身具有完善的保護功能，包括輸入過壓保護、輸入欠壓保護、輸出過流保護、輸出過壓保護及過溫保護等。其中，給T/R組件供電的36V電源在37V和32V分別設有過壓、欠壓保護點，通過與比較器電路連接，當輸出低于32V或高于37V時，比較器反轉，控制光耦導通，將變換器模塊的PC端子電壓拉低至2.3V以下，即可關斷電源輸出。

該電源失效會導致T/R組件、波控單元等雷達主要分系統工作異常，引起環控系統監控控制紊亂、成片T/R組件無法正常工作、無法啟動波束掃描等一系列故障，最終導致雷達無法正常發現跟蹤目標，喪失作戰能力。

1 故障現象及排查

1.1 故障現象

雷達啟動過程中多次出現下列故障：任務電子系統雷達分系統ECU單元無法正常啟動，顯示屏無法正常顯示；待雷達系統全部啟動后，包括ECU、T/R、波控等多個單元報故障；雷達系統進行校正測試，天線接收、發射幅度圖均不符合指標要求；波瓣分布圖不合格。

1.2 排查過程

對ECU單元進行排查，用測試設備采集波控和電源模塊傳感器數據，地址無法獲取。檢查其電路，發現有一路該電源模塊傳感器信號輸出端與地線短路，該短路導致傳感器數據讀取失敗。根據排查的初步結果，現場對該電源模塊、波控單元、ECU子系統進行拆卸檢查，發現右面第二塊電源模塊輸入端插頭及其對應電源盒上的插座均已燒壞。

通過現場燒灼情況判斷此處發生過打火。進一步檢查整個電源供電分系統發現，除該處接插件燒毀外，ECU分機模塊、39個傳感器（含24個電源模塊傳感器、15個波控系統傳感器）均有不同程度損傷。

2 失效分析

2.1 電源盒外圍電路分析

從故障現象分析，故障原因是電源盒上的插座打火，導致插針短路，而后270V直流電壓從供電端口竄入環控系統的傳感器電源系統（見圖1），進而導致ECU分機模塊故障以及并聯的24塊電源模塊內傳感器、15塊波控系統內傳感器失效。

2.2 DS18B20型傳感器失效分析

本系統采用1-Wire總線溫度傳感器DS18B20，引腳示意如圖2所示。DS18B20的工作電壓為3～5.5V，工作溫度范圍為-55℃～+125℃，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，引腳對地電壓范圍為-0.5～+6.0V。DS18B20原理圖如圖3所示，從原理圖可知，當任一引腳被引入270V高壓之后都會導致引腳之間的二極管被擊穿，從而導致傳感器失效。

通過分析傳感器的工作原理及內部結構并結合對傳感器的測試結果，得出以下結論：電源盒連接器A端口A15（+270V）、A8（傳感器電源+5V）、A9（傳感器電源地）、A10（傳感器DQ）插針間短路，造成打火，致使連接器失效；270V高壓被傳導到環控傳感器上，使傳感器引腳之間的二極管被擊穿，導致傳感器失效。

3 機理分析

3.1 故障樹

經過分析，得到連接器的故障樹，如圖4所示。

3.2 失效機理分析

造成該電源盒連接器燒毀的原因可能有：電源內部短路，導致電源座燒毀；電源座內有異物，導致電源座電極之間短路燒毀；電源座內針與座結合處的缺陷在長期振動環境下不斷擴大并最終打火，使電源座的絕緣層碳化，導致電極之間短路燒毀；電源座進水，導致電極間短路燒毀。

1）電源內部短路分析

電源內部電路由保護開關、36V整流模塊、12V整流模塊及5V整流模塊組成，如圖5所示。在每個整流模塊的輸入端均有一個保護開關（容量為3.15A），當內部各整流模塊或者其下一級電路發生短路時，如果電流超過3.15A，保護開關會自動斷開進行保護，而電源插針可承受的額定工作電流高達8A，因此電源內部模塊即使存在短路也不會導致電源插座燒毀。

檢查故障電源模塊發現模塊完好，因此排除其內部短路導致插座燒毀的可能性。

2）導電異物短路分析

產品如有導電異物進入，大多是生產過程中留下的金屬絲或者焊錫渣，造

成短路后異物將很快被打火熔斷，不會造成類似的嚴重灼燒痕跡，且之前未拆卸過該電源，因此排除導電異物造成短路的可能性。

3）插針與插孔接觸不良短路分析

插針與插孔配合不可靠，在振動時如果有虛接觸，極易發生270V打火的情況。但根據現場拆卸情況，插座、電源均固定牢靠，因此排除接觸不良造成故障的可能性。

4）連接器進水短路分析

從故障現象分析以及燒灼現場判斷，燒毀一面處于電源模塊插座A端口的底部，其蓋面處于槽的底部，若有水進入，該部位極易成為短路面。因此，對此原因進行詳細分析。

4 連接器進水分析

4.1 進水機理及試驗分析

連接器進水有兩種可能：水滴進入、大量水蒸氣凝結。針對這類故障進行滲水試驗、溫度試驗、拷機試驗三項試驗。

1）滲水試驗

試驗目的：驗證冷凝水是否會通過線纜束間隙滲入腔體內部；

試驗方法：取同型號的電源盒，取出連接器A端口輸入線纜垂直方向的密封西卡膠，線纜束之間有少許縫隙；在此處滴少許冷凝水，用搖表分別測試A端口的270V（+）端子、270V（-）端子與機殼之間的絕緣電阻值；

試驗結果：測試結果為0MΩ。拔掉上面的電源盒插座后，發現下面電源插座的A端口內側底部已溢入了少量水；

試驗結論：冷凝水會沿線纜滲入腔體。

2）溫度試驗

試驗目的：驗證在腔體內沒有冷凝水的情況下溫度變化是否會導致電源插座短路；

試驗方法：溫度范圍為-55℃～70℃，從-55℃開始升溫，每10℃為一個溫度臺階，每個溫度臺階保持1h；在1h內分別測試電源A端口270V（+）端子、270V（-）端子與機殼之間的絕緣電阻值；

試驗結果：低溫階段，絕緣阻值很大且隨溫度變化很小；在溫度由常溫向高溫的變化過程中，絕緣電阻值隨著溫度升高而變小，但最小值為264MΩ（見圖6），均滿足絕緣要求；

試驗結論：在腔體內沒有冷凝水的情況下，溫度變化不會導致電源插座短路的發生。

3）拷機試驗

試驗目的：在測試設備上進一步試驗，以驗證在腔體內沒有冷凝水時溫度變化是否會導致電源插座短路；

試驗方法：在無空調的環境下，室內空氣干燥，測試設備連續加電8h，其間沒有波束掃描，不輻射高功率；

試驗結果：電源工作正常，未出現類似故障；

試驗結論：從反面說明是冷凝水進入腔體導致故障發生。

綜合上述三項試驗結果可以確認，水進入腔體是導致故障發生的原因。

4.2 水進入路徑分析

連接器部位進水可能有雨水和冷凝水或水汽兩個來源，冷凝水量多時進入方式類似于雨水。

1）雨水

雨水進入連接器導致打火損壞的故障曾發生在其他裝備中，故障現象和本次燒毀的故障現象基本相同。經分析認為故障是由雨水造成，雨水經電源盒連接器的定位孔進入連接器導致短路。采取的處理方法是用西卡膠灌封定位孔，防止潮氣及冷凝水從定位孔滲入。

2）冷凝水

冷凝水進入通道的方式包含：連接器自身生成冷凝水進入；裝備內部生成的冷凝水聚集，由雨水通道進入。為了查明冷凝水的來源，需要進行濕熱試驗和故障件解剖分析。

a.濕熱試驗

試驗目的：驗證連接器的腔體呼吸效應是否會導致潮氣滲入而形成冷凝水。

試驗方法：試驗階段包含升溫段（常溫～60℃，95%RH，升溫時間2h）、高溫高濕段（60℃，95%RH，保持時間6h）、降溫段（60℃～30℃，95%RH，降溫時間8h）和常溫高濕段（30℃，95%RH，保持時間8h）。4個階段以24h為一個循環（見圖7），每個階段分別測試插座A端口270V（+）端子、270V（-）端子與機殼之間的絕緣電阻值。共進行10個循環的試驗。

試驗結果：在各階段的腔體內均未發現冷凝水，測試最小絕緣電阻值為267MΩ。

試驗結論：腔體的呼吸效應不會導致潮氣滲入而產生冷凝水。

b.故障件解剖分析

線纜上附有黑色油煙狀物質說明打火生成的煙霧能進入膠封下的線纜，即線纜與密封膠之間是有間隙的，因此冷凝水可經線纜與密封膠之間的縫隙沿線纜流入連接器。綜合故障件的解剖分析和滲水試驗確認，水沿線纜束進入連接器導致短路，產生打火，連接器失效，導致該電源失效。

4.3 水的來源機理分析

通過濕熱試驗可以排除連接器內產生冷凝水進而導致打火失效的故障原因，但從故障件分解情況分析，不排除外部水分進入的可能，包括雨水和冷凝水。

1）雨水進入分析

該裝備在發生故障前其所在地區出現過強降雨，打開上蓋板也發現裝備內部有雨水。雨水進入后會滲入扭力盒腔體進而滲入電源盒連接器，導致連接器插針短路打火。

2）冷凝水的生成和進入分析

雷達環控系統工作在返回模式時，熱氣活門全部打開，冷氣活門開度較?。ㄒ话阍?0°左右），此時混合腔空氣溫度可以保持在30℃以上，從而為設備保溫除去冷凝水。混合后的熱空氣經前進風口進入，經過流量分配后進入電源盒，實現對電源模塊的控溫保溫，但電源盒所處的空間無法受到熱空氣的正面吹拂。當環境溫度交變時，潮氣會在扭力盒上蓋板表面形成少量冷凝水，由于該電源在安裝時有3°傾角，冷凝水會沿蓋板表面向前流動，當冷凝水流到封膠表面時，會沿線纜方向滲入到腔體內部。如通風不及時，將加劇此類危害。

5 故障機理分析

綜上分析結果，得出如圖8所示的故障機理：

1）ECU插件及傳感器故障是由電源盒連接器短路引起；

2）短路造成連接器各插針之間局部有電流通過，長時間局部電流引起溫升，溫升加大電流，進而燒毀連接器；

3）水汽造成連接器各插針之間短路；而無空調車加劇了短路部位溫度升高的危害；

4）線纜走向不合理，形成了間隙，為水和凝露進入連接器提供了通道；

5）沒有空調車吹風，水汽和凝露無法被帶走，加速了水汽和凝露的滲入。

雨水或冷凝水積聚到一定量后，沿著電源盒連接器的導線方向滲入插座；長時間工作后導致插針短路、燒毀插座，導致270V高壓竄入分系統的溫度傳感器、ECU分機等，造成溫度傳感器、ECU等故障；同時T/R組件、波控單元等分系統因無電源，無法正常工作；雷達系統則喪失發現、跟蹤目標的能力。

6 預防措施

為了杜絕隱患，保證大修的質量，對于該電源的修理加入以下流程：

1）對大修的雷達，打開裝備兩側12塊底蓋板，抽出A、B面各12塊電源，檢查各連接器插頭和插座外觀及插針（孔）的通斷，并測試其對地電阻，對于不符合要求的組件立即進行修理測試，更換有隱患的連接器；

2）清除24個電源盒連接器上的所有封膠，對電纜引出部分進行2次90°彎折后，重新灌膠；保證電纜過孔處，消除水沿電纜芯線流入灌封膠的可能性；

3）對于24個電源，在連接器270V（+）芯上，安裝O型絕緣密封墊圈，插頭與插座接插到位，密封圈將插針間隔離，避免“連接面”處因有水或水汽造成插針間的短路。

參考文獻

[1] 嚴利華，姬憲法. 機載雷達原理與系統[M].北京：航空工業出版社，2010.

[2] 張偉. 機載雷達裝備[M].北京：航空工業出版社，2010.