飛控計算機交流26V 800Hz無輸出故障分析

■ 王鑫瑋/石家莊海山實業發展總公司

1 故障描述

某架飛機進行飛控系統調試，速率陀螺26V在A相輸入電壓檢測點，發現交流26V800Hz輸出只有3.2Vrms；速率陀螺26V在B相輸入電壓檢測點，發現交流26V800Hz輸出只有3.3Vrms；斷開飛控計算機的機上電纜，直接從飛控計算機插頭進行測量，交流輸出仍然不正常。分別對幾個輸入電壓檢測點及輸出電壓進行檢測，輸出電壓分別為3.1V、3.2V、4.1V，判斷飛控計算機電源故障。將產品安裝在飛控計算機測試設備上，根據飛控計算機修理工藝，按照電源測試方法對產品報故性能進行檢查，技術要求應為26V800Hz，實際輸出只有3.2V，故障復現。開箱更換電源模塊后再次進行試驗，故障消失，故障定位為電源模塊。

2 故障分析

2.1 問題定位

故障發生后，先后進行了外場故障確認、故障件返修理單位通電檢查、故障模塊定位、故障元器件定位，準確定位了故障點和失效模式。

1）模擬試驗確定為飛控計算機內部故障

故障件返回修理單位后，使用現有設備對飛控計算機進行測試，故障復現。斷開飛控計算機插頭，再次通過插頭直接對故障點進行測量，故障依然存在，結論是飛控計算機內部電源電路故障。

2）內部檢查確定故障點

確認是飛控計算機故障后，繪制故障樹（見圖1），制訂檢查方案，開展試驗檢測、分解檢查排故等工作。

圖1 故障樹

a.整機故障排查：對飛控計算機整機通電，飛控計算機26V800Hz無輸出，斷開電纜，通過飛控計算機插頭直接對該測試項目進行測量，發現依然無電壓輸出。下電后打開產品機箱，互換兩通道電源，故障跟隨電源模塊進入對應通道，由此判斷故障點在電源模塊中。

b.電源模塊故障排查：電源模塊內部產生26V800Hz的電路由800Hz組件和控制組件組成，通過板件互換確認為控制組件故障。

c.失效元器件確認：采用基本測量法進行排查。首先，對關鍵器系列二極管等依次進行靜態阻抗測量，未發現異常狀態，靜態測量未確認失效元器件；再次，對上述元器件進行動態測量，電源通電后分別對上述元器件的管腳進行對地電壓測量，發現關鍵器各管腳對地電壓較為正常，但某一器件兩管腳對地電壓異常，只有0.5V，正常電壓分別應為2.5V和26V；更換該二極管后對電源模塊26V800Hz進行測量，電源輸出正常。對失效的二極管進行離線靜態阻抗測量，兩管腳之間阻值只有75Ω，二極管失效形式表現為短路。上述靜態阻抗在線檢查過程中未發現該二極管失效的可能原因是板件表面噴涂過三防漆，測量時表筆未將漆層扎透或是在扎針的頂部附著了臟東西，導致測量結果不準確。最終定位故障點：穩壓二極管擊穿失效，導致飛控計算機交流26V800Hz無輸出故障。此次排故中利用X射線分析儀繪制部分電路對進行故障分析非常有幫助。

2.2 機理分析

1）飛控計算機二極管失效導致交流26V800Hz無輸出故障分析

利用X射線分析儀繪制故障電路板部分電路原理圖簡圖，如圖2所示，從中可以看出，該部分電路為精穩壓電路，精密并聯穩壓器，調壓范圍為2.5～36V，工作電流范圍0.1～100mA，穩壓二極管組成鉗位保護電路。正常工作時1腳輸入基準電壓2.5V，2腳輸出26V電壓，再經過關鍵器將26V進行一級功率放大，使電流滿足負載需求。電阻組成負反饋網絡，用于調整輸出電壓1腳的輸入基準電壓，將鉗位電壓穩定在2.5V。由于穩壓二極管擊穿，等效為導線將電路相連，致使該處鉗位穩壓電路失效，輸入電壓無法精確穩定在2.5V，實際測量為0.5V，從而導致精密穩壓管的輸出只有3.2V。

圖2 故障部分電路原理圖簡圖

2）導致穩壓二極管失效的可能原因分析

a.過電應力失效。在有感性負載的供電電源或電子設備處于開關瞬間、交流電源的電壓不穩定或接地不良的情況下，半導體器件會受到一種隨機的短時間高壓或強電流的沖擊，這種功率遠遠超過器件的額定功率引起器件芯片過電應力損傷，甚而導致器件的擊穿失效。過電應力主要有過壓應力失效和過電流失效兩種模式。

過壓應力失效模式：過壓擊穿主要是指二極管在反向工作過程中，二極管兩端所施加的反向電壓超出了二極管的承受極限，造成二極管芯片邊緣電源擊穿，甚至形成局部熱點，發生熔融短路或開路的失效模式。

過電流失效模式：二極管在正向工作過程中所通過的電流（包含瞬態電流）超出了二極管承受的極限，使二極管管芯局部功率損耗超限，產生熱點，導致芯片局部熔融甚至燒毀的現象。

過壓應力和過電流是本次故障的主要起因，在26V800Hz的產生電路中存在感性元器件，電路在啟動和關斷過程中穩壓二極管主要承受波動電壓和瞬態電流的沖擊，二極管PN結最終熔融黏結失效。

b.長時間工作損耗。長時間工作后，二極管芯片結邊緣焊料容易形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉降而逐漸分離，結邊緣的散熱功能降低，工作結溫度逐漸增大，二極管在啟動、關斷和網絡電壓不穩定時結溫度超出自身的承受能力而燒毀。

c.靜電損傷。潛在性靜電損傷僅對二極管的內部造成了輕微損傷，器件的電氣參數仍然合格或者變化不大，但是器件的過電應力能力已經明顯變弱，或者使用壽命明顯縮短，經過一段時間的工作后進一步退化，直至在使用中無預兆失效。

3 結論

綜上所述，不論是過電應力、長時間工作損耗還是靜電釋放所導致的二極管短路失效，歸根結底都是二極管PN結的燒蝕熔融。