某瞬時測頻組件電流異常故障分析

伍鵬宇，晉 柱，張 衎

（1.海軍裝備部，四川成都 610000；2.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川成都 610000）

1 故障現象

多年來，通用接收機使用機械控制來調諧其頻帶，同時改變天線耦合、RF 級聯和振蕩器諧振電路的參數。最常見的形式是組合電容器，其使用單個軸的旋轉來改變每一級的調諧電容。除大量生產的家庭娛樂用接收機外，接收機采用具有基本相同結構的電容器。因為天線和級間電路通常使用具有耦合性質的線圈，每個線圈通常不同，諧振在工作頻率之上或之下，所以線圈的有效電感會隨著調諧頻率而略微變化。除了一些特殊情況，現代調諧元件一般都不可能是機械的，而是電調諧的變容二極管，因此在計算機的控制下，頻率變化可以快速實現。這種情況下，可變元件假設為電容器，但是也可以使用可變電感元件并適當改變電路來獲得類似的結果[1]。

IFM（Instantaneous Frequency Measurement，瞬時測頻），廣泛應用在數字式比相法瞬時測頻接收機中。采用了IFM 的接收機，具有結構簡單、偵查頻帶寬、分辨率高等優點。根據原理，可以分為兩類。第一類是把頻率信息轉換為相位信息，然后轉換為幅度信息，或者將待測頻率信息轉換為幅度信息，通過測量幅度信息來獲得頻率信息，一般滿足“待測頻率—相位（差）—幅度—實測頻率”或“待測頻率—幅度—實測頻率”的測量過程。關鍵是頻率能產生不同幅度響應的模擬器件，幅度信息生成頻率信息的編碼電路或數字處理電路。核心部分是模擬器件組成。第一類瞬時測頻通常也可認為是模擬方法瞬時測頻；第二類是把待測信號進行采樣處理變成數字信息，然后通過對數字信息的處理、運算獲得頻率信息，一般滿足“待測頻率—信號采樣—數字測頻”的關系。第二類瞬時測頻通常也可認為是數字方法瞬時測頻。關鍵是采樣量化電路和測頻算法，核心部分是數字器件組成，也是未來發展的重要方向。

外場服務保障時，發現有7 個接收機內的瞬時測頻組件-5 V 電流異常，引起接收機報故。

2 故障定位

2.1 原理分析，建立故障樹。

本瞬時測頻組件采用干涉儀鑒相。通過延遲把頻率轉換為相位信息，再通過鑒相器將相位信息轉換為幅度信息，最后將幅度信息進行量化編碼輸出對應的頻率碼。

本組件采用了兩根延遲線，組件主要由相關器組件和編碼電路組成。相關器組件主要完成輸入射頻信號的延遲鑒相，輸出視頻信號；編碼電路對IQ 的視頻信號進行量化、編碼輸出頻率碼，其原理如圖1 所示。

圖1 IFM 組件

根據IFM 組件的工作原理和故障現象，建立故障樹如圖2 所示。

圖2 IFM 組件故障樹

2.2 逐步分析，故障定位。

（1）定位到編碼電路故障。編碼電路故障分析。測量出現故障的瞬時測頻組件-5 V 接口對地電阻為0.2 Ω，正常的組件-5 V 接口對地電阻為150 Ω。拆開發生故障的瞬時測頻組件，發現所有組件中編碼電路的電容C17 均出現了擊穿燒毀現象，從而導致模塊的-5 V 接口對地電阻很小。因此，基本確定是編碼電路故障。相關器組件故障分析。將相關器與編碼電路的所有連線去除，單獨檢測相關器組件各輸出信號，均輸出正常，說明相關器組件工作正常，故排除相關器組件故障的可能性。因此，可確定此次故障原因為編碼電路故障。

（2）定位到電容焊接反向。檢查故障印制板，發現印制板上C17 電容燒毀。根據該電容出現的擊穿燒毀情況，建立故障樹如圖3 所示。電容使用電壓超過額定電壓。編碼電路上C17 電容額定電壓為20 V，而該電容在編碼電路中功能為-5 V 濾波電容，遠低于20 V額定電壓要求，故可排除該故障原因。電容焊接反向。檢查故障印制板，發現印制板上燒毀的C17 電容焊接方向與印制板上絲印層所標識的極性相反，說明該電容一直處于反向使用狀態。經咨詢電容生產廠家，電容反向使用會出現擊穿燒毀的情況，基本上確定本次故障是由電容焊反所致。編碼電路其他部分故障。取下燒毀的C17 電容，在不重新焊接C17 電容的情況下，加電測試故障瞬時測頻組件，組件工作恢復正常，說明C17 電容燒毀故障不是由編碼電路其他部分故障導致。外部環境故障。重新按正確極性焊接C17 電容，瞬時測頻組件工作仍然正常，返分機、系統進行驗證，工作均正常，說明C17 電容燒毀也不是由外部環境所致。因此推斷本次故障原因為C17 電容焊接反向。

圖3 編碼電路定位故障樹

2.3 更換驗證，故障復現

將擊穿更換下的損壞C17 電容重新更換到返修正常的瞬時測頻組件上，組件故障現象再次復現，與返修前一致，問題能夠得到穩定復現。因此確定本次故障原因為電容焊接反向。

3 原因分析

檢查故障印制板，發現印制板上燒毀的C17 電容焊接方向與印制板上絲印層所標識的極性相反，說明該電容一直處于反向使用狀態。C17 電容為有極性固態鉭電容。在編碼電路中，在C17 電容焊反時，給電容施加的反向電壓為-5 V，超出器件手冊要求的極限值。鉭電容存在正負極性，器件手冊中所給值為經過驗證后的無故障值。在實際情況下，器件有較大冗余量，保證鉭電容可以承受一定的反向電壓（反向電壓由電容設計、制作工藝、材料特性等因素綜合決定，不同的電容可能會有差異），在給電容施加反向電壓后，電容不會立即被擊穿。鉭電容是用稀硫酸等配液做負極，金屬鉭做正極，鉭表面生成的氧化膜做介質制成[2]。鉭電容的介質層是陽極金屬在電解液中氧化而成。生成的介質薄膜在外加電壓的作用下，會產生熱量，容易產生電阻率很高的氧化物。從而修復了氧化膜中存在缺陷、裂痕等疵點，即具有自愈作用。這種獨特的自愈作用，保證了鉭電容的長壽命和可靠性的優勢。鉭電容的陽極塊具有微孔結構，單位體積內電容量特別大，比容量高，特別適宜于小型化電路板。

鉭電容器能方便地獲得較大的電容量，具有單向導電性，即所謂的“極性”。應用時須按電源的正、負方向接入電流，電容器的陽極（正極）接電源“+”極，陰極（負極）接電源的“-”極。如果接反了，電容器不僅發揮不了作用，而且漏電流很大，短時間內芯子就會發熱，破壞氧化膜，隨即失效，造成不良的后果。所以根據鉭電容內部材料特性，鉭電容在非擊穿情況下，反向聯接可近似為一個電阻（而且該電阻值還會隨著使用溫度變化而變化，類似于一個溫敏電阻）。在使用過程中，反向電流未超過擊穿電流時，鉭電容器內部未完全擊穿，但是會對電容器內部電極膜產生不可逆的損傷。單次損傷較小，隨著使用時間的增加而累計，導致反向內阻逐漸變小，直至在使用過程中出現反向電流超過擊穿電流的情況，鉭電容完全擊穿燒毀。檢查編碼電路的設計文件發現，PCB 文件對C17 電容的極性標識與裝配圖對該電容的極性標識相反。PCB 文件是正確的，裝配圖是錯誤的，印制板裸板是根據PCB 文件進行加工，印制板絲印層的極性標識是正確的。按照工藝要求，印制板裝配是以裝配圖作為依據（圖4），因此，裝配圖電容極性標識錯誤，則會導致電容焊反。

圖4 電容C17 極性標注對比

追溯設計文件錯誤的原因：該印制板在印制板設計師對圖紙進行了更改，當時更改原因是FPGA 換型后需增加上拉電阻R157，在此次更改中誤將裝配圖中電容C17 極性標識錯誤。因此，編碼電路在圖紙更改時，裝配圖中誤將電容C17 極性標錯，導致該電容焊反燒毀，從而引起瞬時測頻組件故障。

4 整改驗證

（1）更改措施驗證。重新焊接故障電容后，組件工作恢復正常，返回分機、系統后進行驗證，故障未再復現，說明更改措施有效。

（2）對編碼電路的裝配圖進行更改。

（3）開展影響性分析。系統的電源模塊最大輸出電流為2.4 A，具備短路保護功能，當輸出電流在達到2.8 A 左右（115%最大輸出電流）時，會進行限流。因此在瞬時測頻組件-5 V 電流增大后，電源模塊不會對系統造成影響。另外電源板在+28 V 電源輸入端設計有斷路器，這是第二重防護措施，可以在分機出現短路大電流時切斷系統供電端和分機的聯系，防止對系統造成影響。分機內部供電電源板中DC-DC 電源模塊具備短路保護功能，當出現-5 V 電流超過2.8 A 情況時，DC-DC 模塊會進入保護狀態，輸出電壓為0 V。實際測試時，當分機出現故障后，發現電源板2 輸出的-5 V 電源輸出電壓為0 V，與設計要求一致。

（4）對于在制品，需全部檢查瞬時測頻組件上編碼電路C17 鉭電容的焊接方向，對于焊接反向的按工藝要求更換鉭電容，焊接方向按照正確方向焊接，并重新進行各項指標測試。對于已制品，企業準備備件，根據外部需求和故障批次對已交付產品進行分批更換。