飞控计算机交流26V 800Hz无输出故障分析

■ 王鑫玮/石家庄海山实业发展总公司

1 故障描述

某架飞机进行飞控系统调试，速率陀螺26V在A相输入电压检测点，发现交流26V800Hz输出只有3.2Vrms；速率陀螺26V在B相输入电压检测点，发现交流26V800Hz输出只有3.3Vrms；断开飞控计算机的机上电缆，直接从飞控计算机插头进行测量，交流输出仍然不正常。分别对几个输入电压检测点及输出电压进行检测，输出电压分别为3.1V、3.2V、4.1V，判断飞控计算机电源故障。将产品安装在飞控计算机测试设备上，根据飞控计算机修理工艺，按照电源测试方法对产品报故性能进行检查，技术要求应为26V800Hz，实际输出只有3.2V，故障复现。开箱更换电源模块后再次进行试验，故障消失，故障定位为电源模块。

2 故障分析

2.1 问题定位

故障发生后，先后进行了外场故障确认、故障件返修理单位通电检查、故障模块定位、故障元器件定位，准确定位了故障点和失效模式。

1）模拟试验确定为飞控计算机内部故障

故障件返回修理单位后，使用现有设备对飞控计算机进行测试，故障复现。断开飞控计算机插头，再次通过插头直接对故障点进行测量，故障依然存在，结论是飞控计算机内部电源电路故障。

2）内部检查确定故障点

确认是飞控计算机故障后，绘制故障树（见图1），制订检查方案，开展试验检测、分解检查排故等工作。

图1 故障树

a.整机故障排查：对飞控计算机整机通电，飞控计算机26V800Hz无输出，断开电缆，通过飞控计算机插头直接对该测试项目进行测量，发现依然无电压输出。下电后打开产品机箱，互换两通道电源，故障跟随电源模块进入对应通道，由此判断故障点在电源模块中。

b.电源模块故障排查：电源模块内部产生26V800Hz的电路由800Hz组件和控制组件组成，通过板件互换确认为控制组件故障。

c.失效元器件确认：采用基本测量法进行排查。首先，对关键器系列二极管等依次进行静态阻抗测量，未发现异常状态，静态测量未确认失效元器件；再次，对上述元器件进行动态测量，电源通电后分别对上述元器件的管脚进行对地电压测量，发现关键器各管脚对地电压较为正常，但某一器件两管脚对地电压异常，只有0.5V，正常电压分别应为2.5V和26V；更换该二极管后对电源模块26V800Hz进行测量，电源输出正常。对失效的二极管进行离线静态阻抗测量，两管脚之间阻值只有75Ω，二极管失效形式表现为短路。上述静态阻抗在线检查过程中未发现该二极管失效的可能原因是板件表面喷涂过三防漆，测量时表笔未将漆层扎透或是在扎针的顶部附着了脏东西，导致测量结果不准确。最终定位故障点：稳压二极管击穿失效，导致飞控计算机交流26V800Hz无输出故障。此次排故中利用X射线分析仪绘制部分电路对进行故障分析非常有帮助。

2.2 机理分析

1）飞控计算机二极管失效导致交流26V800Hz无输出故障分析

利用X射线分析仪绘制故障电路板部分电路原理图简图，如图2所示，从中可以看出，该部分电路为精稳压电路，精密并联稳压器，调压范围为2.5～36V，工作电流范围0.1～100mA，稳压二极管组成钳位保护电路。正常工作时1脚输入基准电压2.5V，2脚输出26V电压，再经过关键器将26V进行一级功率放大，使电流满足负载需求。电阻组成负反馈网络，用于调整输出电压1脚的输入基准电压，将钳位电压稳定在2.5V。由于稳压二极管击穿，等效为导线将电路相连，致使该处钳位稳压电路失效，输入电压无法精确稳定在2.5V，实际测量为0.5V，从而导致精密稳压管的输出只有3.2V。

图2 故障部分电路原理图简图

2）导致稳压二极管失效的可能原因分析

a.过电应力失效。在有感性负载的供电电源或电子设备处于开关瞬间、交流电源的电压不稳定或接地不良的情况下，半导体器件会受到一种随机的短时间高压或强电流的冲击，这种功率远远超过器件的额定功率引起器件芯片过电应力损伤，甚而导致器件的击穿失效。过电应力主要有过压应力失效和过电流失效两种模式。

过压应力失效模式：过压击穿主要是指二极管在反向工作过程中，二极管两端所施加的反向电压超出了二极管的承受极限，造成二极管芯片边缘电源击穿，甚至形成局部热点，发生熔融短路或开路的失效模式。

过电流失效模式：二极管在正向工作过程中所通过的电流（包含瞬态电流）超出了二极管承受的极限，使二极管管芯局部功率损耗超限，产生热点，导致芯片局部熔融甚至烧毁的现象。

过压应力和过电流是本次故障的主要起因，在26V800Hz的产生电路中存在感性元器件，电路在启动和关断过程中稳压二极管主要承受波动电压和瞬态电流的冲击，二极管PN结最终熔融黏结失效。

b.长时间工作损耗。长时间工作后，二极管芯片结边缘焊料容易形成金属化合物而脆化，使管芯与底座热沉降而逐渐分离，结边缘的散热功能降低，工作结温度逐渐增大，二极管在启动、关断和网络电压不稳定时结温度超出自身的承受能力而烧毁。

c.静电损伤。潜在性静电损伤仅对二极管的内部造成了轻微损伤，器件的电气参数仍然合格或者变化不大，但是器件的过电应力能力已经明显变弱，或者使用寿命明显缩短，经过一段时间的工作后进一步退化，直至在使用中无预兆失效。

3 结论

综上所述，不论是过电应力、长时间工作损耗还是静电释放所导致的二极管短路失效，归根结底都是二极管PN结的烧蚀熔融。