王嬌 姚華 高永慧 史靖宏

蚌埠產品質量監(jiān)督檢驗研究院 安徽蚌埠 233000

1 問題的提出

工程上單板電源上的保險絲熔斷造成單板的返修率較大，其中雷擊造成保險絲熔斷約占40%左右，希望在設計之初對單板上所選保險絲究竟能承受多少次雷擊進行驗證，降低保險絲雷擊熔斷造成的返修率。常規(guī)的驗證方法是直接對單板的電源口，按照要求進行1.2/50us波形的雷擊驗證測試，但常規(guī)的驗證方法有以下不足：

（1）測試用時長，效率低，對雷擊測試儀器有傷害。驗證測試的頻度和次數高，若驗證保險絲耐受10000次雷擊沖擊，就要用雷擊測試儀器進行10000次的雷擊驗證測試，至少需要10000分鐘，約20.8天。

（2）模擬保險絲在高溫高濕工程環(huán)境下承受雷擊的能力驗證不易實現。模擬驗證需要將保險絲所在系統放入高溫高濕箱中進行，雷擊測試儀器和高溫高濕箱在不同的實驗室，而且雷擊測試有環(huán)境規(guī)定，實現起來很難[1]。

因此考慮找一種替代常規(guī)雷擊測試儀器的驗證方法，能比常規(guī)方法用時短，容易模擬高溫高濕工程環(huán)境驗證測試，對雷擊測試儀器使用無影響。若能實現是有一定價值的。

2 方法的構想

通過分析保險絲熔斷及熔化熱能的測試原理、雷擊的特點，設計一種測試驗證方法。

保險絲經受雷擊的次數多少，是由保險絲融化熱能決定的。保險絲本身有一定阻抗，電流通過保險絲產生熱量Q=0.24I2Rt，保險絲熔體溫度升高，當溫度達到保險絲熔點，保險絲就熔斷。

保險絲公稱熔化熱能是使保險絲熔斷所需的能量值（熱量），與溫度及電壓無關。保險絲公稱熔化熱能的測試，是給保險絲施加一個電流增量并測量融化發(fā)生的時間，如果在約8毫秒或更長的時間內不發(fā)生熔化，那么就增加脈沖電流的強度，直到保險絲的熔斷時間在8毫秒以內，這時I2t就是保險絲的熔化熱能。

保險絲公稱熔化熱能測試的關鍵點是控制在時間8毫秒以內，這個時間可以保證保險絲產生熱量散發(fā)不出去，測試的熔化熱能才更接近真實的值。

用戶單板保險絲承受的雷擊次數，常規(guī)的驗證方法是采用雷擊波形1.2/50us進行測試驗證的，雷擊脈沖的時間是微妙級，遠遠小于8毫秒。因此雷擊通過保險絲時，產生的熱量很難散發(fā)出去，幾乎全作用于保險絲溫度的升高，當溫度升高到保險絲的熔斷點溫度時，保險絲就熔斷，若達不到的話，不會熔斷。

保險絲每通過一次雷擊，保險絲溫度會升高，保險絲會發(fā)生氧化、產生熱應力，保險絲的壽命就降低，熔化熱能就降低。隨著保險絲承受雷擊次數的增多，保險絲逐漸老化，其承受雷擊次數的能力逐漸降低。因此雷擊對保險絲的影響，主要是熱量[2]。

根據以上分析，考慮通過一個脈沖串來模擬一個雷擊脈沖，設計脈沖串和一個雷擊脈沖在保險絲上產生的熱能相等，即產生的熱量和一個雷擊脈沖相同；設計的脈沖串的時間小于8毫秒，這樣脈沖串通過保險絲產生的熱散發(fā)不出去，全部熱量作用于保險絲，這樣一個脈沖串通過保險絲的作用就等效于一個雷擊脈沖通過保險絲，若設計保險絲承受10000次雷擊，就給保險絲加10000次脈沖串。

通過保險絲雷擊脈沖，可以在進行1.2/50us波形的雷擊測試時，用電流探頭測試通過單板保險絲的雷擊波形獲得。

采用一個脈沖串等效一個雷擊脈沖方法構想如下：

（1）獲取通過單板保險絲雷擊電流波形，計算雷擊波形的熱能。根據單板所在系統電源口雷擊嚴酷度要求，對電源口進行1.2/50us波形的雷擊測試時，用電流探頭測試通過單板保險絲的雷擊波形（電流波形）；

①所用測試儀器：示波器：頻率響應200到300MHz。電流探頭：頻率響應10MHz以上，最大脈沖電流200A以上。

②測試電路圖如下：

③計算通過保險絲一次雷擊的熱能。根據獲得的保險絲雷擊電流波形，對照下表看符合哪個圖形，然后按照這個圖形對應的熔化熱能計算公式計算一次雷擊的熱能。如雷擊電流波形符合正弦波，雷擊電流波形的熱能=1/2I2t。

（2）確定等效一個雷擊熱能的脈沖串。

①脈沖串內每個小脈沖波形的確定。脈沖串內每個脈沖脈寬等于實測的雷擊電流波形脈寬或2倍脈寬或按照能夠獲得脈寬，脈寬多少根據實際情況確定；考慮到方形波容易得到，脈沖串每個小波形采用方形波形。每個小波形脈沖電流大小可以取20A25A30A不等；脈沖串中的每個脈沖波形的熱能=I2t（t為波形脈寬，I為小波形脈沖電流大?。?/p>

②脈沖串脈沖個數確定：一個脈沖串的脈沖個數=通過保險絲一次雷擊熱能/脈沖串每個脈沖的熱能；計算得到的脈沖串個數肯定不是整數，往高里取整數，若計算得到11.2個脈沖，就取值12。這樣獲得脈沖串的熔化熱能稍大于通過保險絲雷擊的熔化熱能，這樣驗證獲得的結果可靠度更高。

③脈沖串內每個脈沖的間隔時間=雷擊電流波形脈寬或2倍脈寬。

④脈沖串時間確定。一個脈沖串時間一定小于8毫秒。

⑤每個脈沖串的間隔時間確定。這個時間間隔保證保險絲通過一次脈沖串后，能恢復到原狀，對此問題和知名的保險絲品牌廠家Littlefuse進行了交流，通過一個脈沖串后，1秒或以上時間，保險絲可以恢復，脈沖串間隔時間按照1秒（常規(guī)雷擊驗證，需要1分鐘）

（3）產生脈沖串的電路設計。通過以下的電路設計獲得脈沖串。

電路圖中的保險絲是待驗證的保險絲，在所在的用戶板上。2.3歐姆電阻是獲得脈沖串內每個脈沖電流大小的取樣電阻，電阻大小由確定的脈沖電流峰值來確定，取樣電阻R=48伏/脈沖電流。圖中的“保險絲所在單板”，是所選保險絲所在的單板[3]。

通過CPLD、光耦控制MOS管的導通關閉，獲得脈沖串。脈沖串間隔、脈沖串內每個脈沖的寬度、間隔通過控制mos管的導通截止來獲得。

在工程現場，有雷擊通過保險絲時，保險絲是有工作電流通過的，測試驗證時采用保險絲所在單板，保證有實際的工作電流通過保險絲，使的測試驗證接近實際應用環(huán)境。

（4）驗證條件。在工程現場，有雷擊通過保險絲時，保險絲是有工作電流通過的，測試驗證時采用保險絲所在單板，保證有實際的工作電流通過保險絲，使的測試驗證接近工程應用環(huán)境

工程現場保險絲所處環(huán)境溫度不是常溫，驗證時保險絲環(huán)境溫度按照嚴酷的工程環(huán)境溫度80度。

3 舉例

某系統GTGHG單板電源上保險絲選擇是2.5A,設計承受雷擊10000次，通過試驗驗證是否承受10000次雷擊要求。驗證如下：

3.1 通過2.5A保險絲雷擊波形的獲得

測試獲得通過2.5A保險絲的最大雷擊電流波形如下，波形脈寬30us，脈沖電流峰值137A,波形的熱能=（1/2）ip2t=0.2816A 2Sec。

3.2 確定脈沖串

脈沖串每個小波形的脈寬等于實測的雷擊電流波形脈寬2倍即60us模擬，小波形間隔60us，電流峰值取值20A，小波形采用方波。

一個小脈沖波形熔化熱能I2t=ip2t=202×60×10-6=24000×10-6=0.024A2Sec。

脈沖串個數=通過保險絲雷擊的熔化熱能0.2816A2Sec/脈沖串中小波形熔化熱能0.024A2Sec=11.73,取整數12。即12個脈沖串熔化熱能相當于一次通過保險絲的雷擊能量。

12個脈沖波形總脈寬為12×60×2=1440us小于8毫秒，這個時間保證脈沖串產生的熱量散發(fā)不出去。

脈沖串間隔設置1秒。

需要獲得等效通過保險絲雷擊波形能量的脈沖串如下圖5。

3.3 脈沖串的實現

采用本方法提供電路（見圖3）獲得脈沖串。圖3中保險絲所在的單板采用2.5A保險絲所在的單板GTGHG板。

脈沖電流20A通過2.3歐姆電阻獲得，mos管導通電阻約0.1歐姆，通過保險的電流=48伏/(2.3+0.1)=20A。

單板采用2.5A保險絲所在的GTGHG單板，驗證測試時，保證通過保險絲的電流是正常工作時的電流0.52A。

通過CPLD、光耦控制MOS管導通截止，獲得通過保險絲的脈沖串（12個脈沖）。

獲得脈沖串如下圖6，（實際電路無法獲取60us的脈寬，只能獲得65us脈寬，脈沖的串波形的數量11個就等效一個雷擊波形的能量）。

3.4 試驗驗證結果

（1）常溫測試littelfuse和VICFUSE品牌保險絲各一次，實驗結果表明保險絲通過1萬次脈沖串后工作正常，采用高精度萬用表（型號：AgilentU1251A）對比測試雷擊前后保險絲的阻值，發(fā)現未有變化；

（2）將保險絲及其驗證電路放在烘箱內，在高溫70℃（模擬實際工程現場溫度）下測試，littlefuse和VICFUSE品牌保險絲各兩個樣品，在高溫70℃下，保險絲通過1萬次脈沖串，試驗結果兩種保險絲正常工作，采用高精度萬用表（型號：AgilentU1251A）對比測試雷擊前后保險絲的阻值，發(fā)現未有變化；

表1 本方法和常規(guī)方法對比匯總

結論：選擇的GTGHG單板上2.5A保險絲在C300系統內可以承受10000次雷擊。

3.5 驗證時間計算

采用本方法驗證保險絲需要的試驗時間=10000個脈沖串時間=(一個脈沖串時間11x65x2=1430微妙x10000次)/1000000+10000)/3600=2.78小時。比用常規(guī)驗證需要的166小時即20.8天相比，時間節(jié)約了很多，效率提高了很多倍。

采用常規(guī)方法，每次測試至少1分鐘，10000次需要10000分鐘，即20.8天。

4 結語

該方法在公司應用后，效果不錯。大大縮短了測試用時，節(jié)約了資源，提高了研發(fā)效率和效果，見表1。