基于Simulink的测试电路故障分析

基于 Simulink的测试电路故障分析

何晶 1 胡晓将 1 李江 2

(1.贵州航天风华精密设备有限公司 ,贵阳 550009； 2.空装成都局驻贵阳地区第一军代表室 ,贵阳 550009)

摘要：测试系统电路发生故障后，依靠传统经验进行故障排查，耗时且难做到全面、一致。采用Simulink构建电路模型，进行仿真分析，结合实际验证，找出故障原因，进而提出改进方法，为后续构建测试系统模型、故障分析奠定基础。

关键词：故障；电路模型；仿真

1 引言

当产品测试出现故障时，不得不依赖技术人员进行故障分析排查，不仅消耗技术人员大量精力的和时间（问题排查少则一两天，多则上月），有时由于假象的缘故，可能导致故障排查方向发生偏离，使得故障排查成为制约产品研制生产进度的瓶颈。寻找行之有效的方法，为解决产品研制生产过程中电气故障排查缓慢、不全面的问题，开展测试系统电气仿真设计成为一条可行之路。

目前，机械结构虚拟样机已经成熟，但是相较结构仿真设计，电气建模仿真设计工作进展缓慢，为此本文以测试系统某开关电路故障为案例，以MATLAB自带的Simulink仿真模块为平台，构建电路仿真模型，对电路原理进行仿真、验证，对电路缺陷进行分析，模拟可能出现的故障模式，并为后续构建测试系统电气虚拟样机奠定实践基础。

2 测试系统典型开关电路

测试系统作为产品检测的重要设备，集成手动/自动控制两种控制模式，涵盖供电转换、信号转换、状态转换、通信、信号处理等功能，系统中各组合大量使用机械开关、继电器等机械元器件。机械开关利用簧片触点的吸合、分离实现电路通断，在开关触点吸合和分离过程中必然产生电弧现象，该特性不仅影响开关的使用寿命，特别是触点、簧片寿命，动作过程中产生的电弧现象同样会对开关前后级电路造成影响，轻则信号异常，增大电路中的干扰，造成测试系统对产品性能的误判，重则造成电路损坏。现以某开关电路滤波钽电容烧毁的情况为例，以此开展电路仿真建模、分析，原理见图1。

图1 某测试开关电路原理

如图1所示，该电路采用按钮开关（机械开关）S2控制外部DC/DC提供的24V直流电源，实现电路供电。为消除开关触点吸合、断开产生的电弧现象对开关电路后级电路的干扰，电路在开关后级设计低通滤波电路，外部输入的24V直流电源在经过开关S2后，固体钽电容C1和瓷片电容C2进行滤波（1kHz-100MHz）后对后级的光耦TLP521-4和驱动器ULN2003ADJ供电，当外部检测信号控制光耦前级二极管导通时，光耦后级三极管导通，输出控制信号；控制信号由驱动器ULN2003ADJ驱动输出，进一步驱动后续电路。在实际电路调试和使用过程中，多次发生固体钽电容C1烧毁的故障，且烧毁时机均发生在开关S2闭合瞬间，经多片故障钽电容进行DPA，DPA结果均为受外部反向电压击穿。

经查阅，固体钽电容具有容量大、充放电迅速、体积小等特点，但其缺点是承受反向耐压能力较低，一般不大于1V，容易发生反向击穿、剧烈燃烧等现象，实际发生的多次钽电容故障均造成电容爆裂燃烧、电路板报废故障。排查过程中，对开关动作时电容C1两端电压进行检测，仅发现在开关接通瞬间，由于电容的充电效应，在电容两端存在正向电压过冲，并未发现反向电压的存在，与钽电容典型故障模式和DPA结果不符合，说明DPA结果与实际电路使用情况存在差异，只能作为器件损坏的机理证明，不能作为电路存在反向电压的证据；而从电流角度分析，加电过程中，受限于无法对过程中承受的冲击电流进行监测，需开展电路仿真分析验证。

3 电路模型构建与仿真

Simulink作为MATLAB的一个重要工具箱，集成了数字电路、模拟电路、控制等功能，其电气系统仿真模块集，可用于电力、电子系统、电机系统等仿真，建模过程简单明了。以Simulink为平台，结合开关、电容及相应器件的等效电路模型，构建电路模型，见图2。

图2 等效电路

结合图1和图2，开关S1为单刀单掷机械开关，用于模拟按钮开关，开关簧片在闭合过程中，存在感应电感和感应电容，现象上表现为开关动作时的电弧效应。因此，按钮开关等效模型为纯开关S1+等效电感LS1+等效电容CS1，用脉冲信号对开关的反复闭合/断开操作，模拟人对开关的反复操作。

电容由于串联等效ESL、串联等效电阻、等效电阻等效应，其等效模型设计为纯电容C1+串联等效电阻ESR+串联等效ESL+绝缘电阻Ri。由于其余器件与故障无关，遂对无关器件进行简化，光耦、驱动器采用其样册等效模型代替。DC24V电源与DC5V电源之间设置感抗无限的大地电感实现隔离。

进行电路仿真过程中，如图2所示设置虚拟示波器，对开关闭合瞬间开关后级电压、固体钽电容两端电压和固体钽电容支路电流监测。以开关S1闭合为时间0点，在开关S1闭合时，在电容C1两端电压和之路电流随之产生振荡，电压、电流具体见图3和图4。

注：最大电压37.58V，稳态电压24V

图3 电容C1两端电压

注：最大正向电流0.07A，负向最大电流-0.006A，稳态电流0.02A

图4电容C1之路电流

如图3和图4所示，起始电压非0和稳态电流的产生是由于电容的绝缘电阻非无穷大造成的。在控制开关动作的瞬间，会在钽电容两端产生较大冲击振荡电压，此现象与实际示波器检测的结果一致；同时，在钽电容支路上随之产生冲击电流。

根据固体钽电容的特性，其一般不允许加反向电压，更不能在纯交流电路中使用，在无法规避的情况下允许瞬间施加的反向电压不大于1V或额定电压的10%（二者取小，25℃）；并且在有反向电压的电路中，一般采用双极性（非极性）钽电容，但只能在极性变换频率不高的直流或脉动电路中使用。

通过图4所知，虽然电容C1两端未出现电压反向情况，但是通过电容支路电流看出，电容C1在开关闭合瞬间，出现反向电流，根据电容全阻抗计算公式 ，核查电容C1串联等效电阻ESR为6Ω，串联等效电感ESL为100nH(0.0000001H)，电容为10uF（0.00001F），信号频率f为4685Hz，则感抗 ，容抗 ，电容全阻抗为6.9Ω，仿真每次开关动作电容C1承受的反向电压为0.07V。但是随着时间的推移、开关反复动作，固体钽电容、开关S1等器件参数的恶化（等效电感、电容恶化），反向电流产生的反向电压可达到百毫安级甚至安级，由此产生的反向电压可达到伏级，只是由于直流标称电压将其湮没。加上电容自身的差异，反向电流成增大趋势导致电容C1两端反向电压加大，累积效应造成电容C1击穿。在实际发生的钽电容击穿故障中，钽电容被击穿也不是突发性的，而是多次使用后发生。

4 电路改进建议

由于机械式开关、普通继电器等固有的局限性，其触点吸合和断开瞬间，必然产生电弧现象，采用光耦驱动的固态继电器可有效避免该现象。但固态继电器存在外围电路较复杂，且成本较高，不适用对该电路的改进。若采用双极性钽电容，体积较大，无法原位安装，且价格较高，同样不利于电路最小化改进。若取消该钽电容，其电路滤波效果将下降，电路的干扰滤波效能明显降低。

瓷介电容具有稳定性好，绝缘性好，耐高压的优点，不受电路极性影响，不会产生反向电压击穿的现象，电路中C2为瓷介电容长期使用未出现击穿的现象。但瓷介电容的缺点是单片瓷介电容容量较小，但是采用多片瓷介电容并联形成的支架式瓷介电容，具有串联等效电阻、串联等效电感低、容量大的特点，可完全替代钽电容解决上述问题。电路中将钽电容更换为支架式瓷介电容后，该电路经长期使用，未出现该处电容击穿的现象。

5 结论

本文利用Simulink构建测试系统典型开关电路的数学模型，通过仿真分析结合实际故障现象，找到电路中开关动作对钽电容的影响，实践证明了电路建模仿真的真实性、可行性，以及改进措施的有效性，降低了后续电路故障排查难度，提高故障分析排查效率；同时作为一项通用技术，能够为后续复杂电路建模，构建电气虚拟样机提供参考。