某型机载设备功率输出电路故障分析及解决措施 

某型机载设备功率输出电路故障分析及解决措施 

郭警涛1，郭建奇1，朱佩21，张博1

1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068；2.西安理工大学，陕西 西安 710068 

摘要：功率输出电路广泛应用于机载机电系统，本文针对某型机载设备功率输出电路出现的输出电路故障，开展故障树排查定位，阐述了功率输出电路原理，定位到功率输出芯片短路直通、印制板功率输出接口与电源搭接是导致故障的原因，提出了更换TVS选型的解决措施，完善了电路设计上的缺陷。改进后的功率输出电路TVS击穿电压为50.00~55.30V，最大钳位电压为65V；当28V配电点输入对功率地（PGND）存在电源线尖峰时，到功率输出芯片输入的最大电压为：VIN = V1钳位电压+V2正向导通压降 = 67V，对功率输出芯片起到保护作用，具有较高的工程实用价值；同时，本次故障排查过程，对机载设备同类故障排除工作可提供一定的思路及参考。 

关键词：机电系统；机载设备；功率输出电路；功率输出芯片；故障树分析； 

中图分类号：V文献标识码：B 

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0 引言

功率输出芯片，作为一种重要的电子元件，在机载设备功率输出电路中扮演着至关重要的角色。这些集成电路芯片具备出色的大功率信号处理能力，能够在极端环境下稳定运行，表现出高电流、高电压和高温容忍度，以及卓越的效率和可靠性。这些特性使得功率输出芯片成为各种高功率负载的控制电路中不可或缺的一部分[1]。

机载设备功率输出电路常常需要控制和管理大功率设备，如电机、执行器以及发光二极管。功率输出芯片通过其卓越的性能，使得这些设备的控制更为高效和可靠。其中，常见的功率输出芯片种类包括功率开关、电机控制芯片和功率放大器，它们在不同应用中发挥着各自的特殊功能。

功率开关芯片通常用于切换高功率电路，能够将电流流向负载或切断电路，实现精确的电源控制。在机电系统设计中，需要深刻理解不同功率输出芯片的特性和应用，以确保系统的性能和可靠性。他们必须选择合适的芯片类型，以满足系统要求，并在极端工作环境下确保设备的稳定运行。功率输出芯片的正确选择和使用，对于实现机电系统的高效运行至关重要[2]。

在某机电系统中，机载设备进行功率输出，以实现某些特定场景的自检控制等功能[3]。机载设备交联的功率输出电路基于CPU、FPGA输出的“控制使能信号”，对于控制电路中的功率输出芯片接通或关断、实现对外输出28V或空开。机载设备在进行测试验证过程中，发现功率输出电路1通道不受控，始终输出28V，导致1通道故障。另一型号机载设备在进行测试验证过程中，发现自检控制不受控，始终输出28V，导致自检控制接口异常输出[4]。针对该问题，笔者开展故障树排查定位，分析精度超差故障的原因，给出了解决措施[5]。

1 功率输出电路工作原理 

28V配电点进入机载设备后，在E3M模块中对SGND（壳地）、PGND（功率地）连接有瞬态抑制二极管（简称“TVS”，位号V1），起到电源线尖峰抑制作用[6]。再进入到PDM模块的功率输出电路，如图1所示。

图1功率输出电路

2 故障树分析 

故障树分析是一种有效的故障分析方法，它被广泛应用于航空工程中，以确定和解决电路故障，确保设备正常运行。在这个背景下，开展某型机载设备功率输出电路的故障分析与解决方案提出。故障树分析是一种系统性的方法，它能够将系统的故障模式分解为不同的事件和因果关系，从而揭示出故障的根本原因。

机上发生功率输出电路故障，原因均为功率输出电路不受控，始终输出28V。从工作机理分析，绘制故障树如图2所示。

图2功率输出电路故障树

2.1 X1底事件：机载设备软件/逻辑故障

2.1.1 X1.1底事件：机载设备软件/逻辑故障

如果机载设备软件/逻辑故障，不能输出正确的“控制使能”指令，可能导致功率输出电路始终输出28V。测试故障件中软件/逻辑输出的“控制使能”，能正常受软件/逻辑控制，因此，可以排除X1底事件。

2.1.2 X1.2底事件：机载设备硬件故障

（1）X1.2.1底事件：功率输出芯片芯片故障

通过测量、分析，发现故障机载设备中功率输出芯片故障，该芯片输入（VIN）、输出（VOUT）、使能（EN）与芯片地短路直通，导致功率输出电路故障——始终输出28V。更换功率输出芯片后，产品功率输出功能正常。

所以无法排除X2.1底事件，需进一步分析故障原因。

（2）X1.2.2底事件：芯片PCB布局问题

功率输出芯片的布局相对简单，复查PCB版图布局，发现布局合理、走线清晰，如图4所示，符合PCB布局要求，所以可排除X2.1.2.1底事件：PCB布局问题导致功率输出芯片的输入输出引脚和EN短路直通的可能。

2.2 X2底事件：电路设计问题

结合功率输出芯片元器件失效分析结论，功率输出芯片失效原因为：输入端（VIN）存在过压（>70V），导致芯片烧毁而失效。

功率输出电路当前选用的TVS（V1），其击穿电压为60.00~66.30V，最大钳位电压为87.1V，当28V配电点注入图4的波形时，到达功率输出芯片输入（VIN）的电压，大于其最大耐受电压70V。因此，X2.1.2.2底事件电路设计问题——“TVS选型不当”不可排除。

2.3 故障分析结论

通过以上分析，故障可定位为电路设计问题：“TVS选型不当”，当28V配电点存在电源线尖峰（如图3所示）时，不能将电压钳位在功率输出芯片可承受范围内。

图3 CS106试验波形

3机理分析

如图1所示，TVS（V1）击穿电压为60.00~66.30V，最大钳位电压为87.1V；V2的正向导通压降为1~2V。当28V配电点输入对功率地（PGND）存在电源线尖峰时，到功率输出芯片输入的最大电压为：VIN = V1最大钳位电压 + V2正向导通压降 = 89.1V，大于功率输出芯片最大耐受电压70V，导致芯片过压烧坏。

4 故障复现

使用正常产品进行电源线尖峰试验摸底，测试了4路功率输出电路，每路分别注入电源尖峰激励（频率5~10Hz，持续5min），尖峰注入时功率输出芯片的VIN电压实测为84.4V（见图4中蓝色波形）。试验后检测，其中一路功率输出电路中功率输出芯片故障，且故障现象与返修件一致：输入（VIN）、输出（VOUT）、使能（EN）与芯片地短路直通，故障复现。

图4 原电路尖峰注入VIN电压

5纠正措施及验证情况

5.1纠正措施

更改TVS（V1）选型，更改后的V1击穿电压为50.00~55.30V，最大钳位电压为65V；当28V配电点输入对功率地（PGND）存在电源线尖峰时，到功率输出芯片输入引脚的最大电压为：VIN = V1钳位电压+V2正向导通压降 = 67V，对功率输出芯片起到保护作用。

5.2纠正措施验证情况

在机载设备中落实纠正措施后，更改TVS（V1）选型后，进行CS106电源线尖峰试验，向28V配电点输入图3波形后，实测功率输出芯片 VIN电压为64.2V（见图5中蓝色波形），测试了8路功率输出电路，每路注入电源尖峰激励（频率5~10Hz，持续10min），8路功率输出电路均工作正常。

图5落实纠正措施后尖峰注入VIN电压

6 结语 

功率输出电路具有广泛的应用领域，在航空领域的使用要求日益提高[7]，因为航空设备的可靠性和鲁棒性对安全至关重要。在这个特定的案例中，本文应用了故障树分析方法，以解决机载设备功率输出电路的故障问题。通过仔细的系统性分析，找到导致电路故障的关键原因。这一过程不仅包括了故障的检测和分类，还包括了对每个潜在故障原因的深入分析。

随着故障树分析的深入，本文提出有效的故障排除和解决方案，以解决电路故障问题。这些解决方案可能包括更换部件、优化电路设计[8]、改进维护流程或增加冗余系统，以提高系统的可用性和可维护性。

本文强调了试验验证的重要性，确保所提出的解决方案确实能够解决问题并且不会引入新的故障。经过试验验证后，可以确定故障分析的合理性，解决方案的有效性，以及所采取的原理的正确性。

综上所述，本研究基于故障树分析的方法成功解决了某型机载设备功率输出电路的故障问题，通过有效的解决方案改善了电路设计，增强了系统的可靠性。这一研究成果对于航空工程领域的电路故障分析和解决具有积极的指导意义，为确保飞行安全和设备可靠性提供了有力的支持。

通过这次详细的故障分析和修复过程，本文得出了许多重要的教训和见解。首先，这次经验在模块电路设计过程中，每个电路环节都可能产生潜在问题，无论是由于元器件选型不当、设计缺陷、操作条件或其他原因。因此，在设计电路时，必须更加仔细地分析每个环节，以便早期发现并解决问题，从而提高整个系统的可靠性和性能。

此外，元器件选型是关键性的。电路中使用的元器件必须能够承受电路所需的电压和电流范围，以确保电路在各种操作条件下稳定运行。在选择元器件时，需要特别注意它们的额定参数，以满足功率输出电路的需求。这一方面可以降低故障的发生概率，另一方面可以提高电路的性能和可维护性。

这次经验对于类似电路设计和故障排查工作有着重要的借鉴意义。本次案例可能是独特的，但故障排除方法和思维方式可以在机载设备同类故障排查工作中提供宝贵的思路和经验。工程师们可以参考本次故障分析的方法，将其应用于不同的情景，以提高类似系统的可靠性和性能。

总之，本文在此案例基础上，不仅成功解决了功率输出电路的问题，还深化了对电路设计和故障排查的理解。这次故障分析提供了宝贵的经验教训，不仅对自己的工作有所帮助，还为机载设备领域的同行提供了宝贵的参考和思考，促进了该领域的技术进步和提高了整体工作质量。

参考文献

[1]韦善于,钟绪杰,王春梅,卢美吉,李月. 基于FPGA的信号参数测量的研究与设计[J]. 电子世界. 2018 (24)

[2]李洋,马研,李博. 用示波器测量雷电冲击电压时存在的问题分析

[J]. 铁道技术监督. 2018 (12)

[3]陈嘉. 基于FPGA的信号发生器仿真设计[J]. 电子技术与软件工程. 2018 (24)

[4]何力,李永全. 微流控电泳中信号检测器的设计[J]. 电脑知识与技术. 2018 (33)

[5]钱黄生. 基于FPGA的示波器波形插值改进技术[J]. 电子技术. 2018 (12)

[6]黄志文,卢美吉,钟绪杰,王春梅,韦善于. 基于FPGA的数字频率测量装置设计[J]. 电子技术. 2018 (12)

[7]钱黄生. 基于FPGA的快速定位数字示波器触发点系统[J]. 电子技术. 2018 (12)

[8]罗昭通,陈凯伦,陈琼. 基于加窗插值FFT的谐波检测算法[J]. 信息技术. 2018 (12)

作者简介：郭警涛（1981年—），男，硕士，高工，研究方向为计算机硬件设计。

郭建奇（1987年—），男，硕士，高工，研究方向为计算机硬件设计。

朱佩（2000年—），女，硕士在读，研究方向为计算机硬件研究。