曹洪彬，劉紅波，劉斌全，王子楠，王道震

（天津七一二通信廣播有限公司，天津 300462）

引言

外場反映某機(jī)載某系統(tǒng)[1]在試飛過程中出現(xiàn)上報射頻功放模塊故障的現(xiàn)象。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障的某系統(tǒng)的電源單元內(nèi)適配射頻功放模塊+28 V 供電的保險絲已被燒毀，且出現(xiàn)故障前射頻功放模塊始終處于正常工作狀態(tài)，保險絲型號： WRK-Ⅱ-250V-3N，經(jīng)理論計算保險絲選型不合理，不滿足此負(fù)載應(yīng)用場景，改選用型號： WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險絲[2]，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，無此故障發(fā)生，系統(tǒng)工作正常。

由于非國產(chǎn)化與國產(chǎn)化射頻功放模塊負(fù)載特性不同，開機(jī)啟動瞬間沖擊電流持續(xù)時間不一致[3]，導(dǎo)致非國產(chǎn)化下的保險絲選型，不滿足國產(chǎn)化射頻功放模塊使用要求。傳統(tǒng)設(shè)計中保險絲選型并未考慮負(fù)載特性，本文旨在考慮不同負(fù)載特性下，提出了一種保險絲的選型方法，該方法更全面地指導(dǎo)了保險絲選型。

1 方法介紹

1.1 負(fù)載特性測試環(huán)境搭建

為客觀找準(zhǔn)適配射頻功放模塊保險絲燒毀的原因，對非國產(chǎn)化及國產(chǎn)化射頻功放模塊的負(fù)載特性進(jìn)行了詳細(xì)測試，測試框圖如圖1 所示。

圖1 開機(jī)沖擊電流測試框圖

該測試方法為系統(tǒng)供電電源常開，系統(tǒng)供電電源與被測設(shè)備之間增加輔助配電開關(guān)，通過輔助配電開關(guān)控制被測設(shè)備的上電控制，電流探頭夾在輔助控制開關(guān)的輸出與被測設(shè)備之間，模擬機(jī)上突然上電的真實(shí)狀態(tài)，用示波器讀取輔助配電開關(guān)閉合時的被測設(shè)備的上電沖擊電流。

1.2 射頻功放模塊負(fù)載特性測試結(jié)果

通過上述搭建的測試環(huán)境，分別完成非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)化件射頻功放模塊的負(fù)載特性測試，測試結(jié)果見1.2.1 與1.2.2。

1.2.1 非國產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測情況

非國產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測沖擊電流峰值電流為74.4A，持續(xù)時間為200us 左右，波形為尖峰三角波。

1.2.2 國產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測情況

國產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測波形如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)件上電沖擊電流波形

從圖2 可以看出，國產(chǎn)件射頻功放模塊開機(jī)沖擊電流峰值電流為74.4 A，持續(xù)時間為2 ms 左右,波形為尖峰三角波。

1.3 原保險絲抗沖擊電流機(jī)理分析

原保險絲型號為WRK-Ⅱ-250V-3N，其額定電流為3 A，額定電壓為250 V，結(jié)合上述非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)件射頻功放模塊的上電脈沖測試結(jié)果，考慮模塊工作環(huán)境溫度影響，脈沖能量，脈沖循環(huán)承受能力，分別計算非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)化射頻功放模塊所需要熔斷器的能量值（I2t）。

1）考慮工作溫度影響

熔斷器[4]是溫度敏感元件，當(dāng)熔斷器工作溫度高于25 ℃時必須考慮溫度的影響，應(yīng)參照熔斷器溫度折減曲線降級使用如圖3。等效電流計算方法參見公式（1）。

圖3 WRK-Ⅱ-250V 系列保險絲溫度折減曲線

根據(jù)系統(tǒng)最高工作溫度達(dá)到95 ℃，根據(jù)溫度折減曲線可知95 ℃時溫度折減系數(shù)K 取值為82.5 %。

2）考慮脈沖能量波形

根據(jù)熔斷器廠家手冊推薦，計算脈沖能量值時，需要根據(jù)所測出的脈沖波形對照下圖中對應(yīng)近似的波形計算出脈沖的能量值（I2t）。

根據(jù)非國產(chǎn)化件射頻功放模塊、國產(chǎn)化件射頻功放模塊的負(fù)載特性測試結(jié)果，測試的尖峰脈沖波形近似為圖4，對應(yīng)能量值計算公式見公式（2）。

圖4 尖峰脈沖波形能量值計算公式

3）考慮脈沖循環(huán)承受能力

根據(jù)熔斷器廠家產(chǎn)品手冊，熔斷器的需求能量值還需考慮循環(huán)脈沖次數(shù)需求，其中保險絲能夠承受的循環(huán)脈沖次數(shù)與脈沖循環(huán)承受能力U之間的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 脈沖承受能力與次數(shù)

利用脈沖循環(huán)承受能力和電路中脈沖值（I2t）可計算所需熔斷器的能量值，計算方法見公式（3）：

根據(jù)系統(tǒng)工作要求，本文熔斷器選型要求能夠承受10 萬次脈沖，即對應(yīng)的脈沖循環(huán)承受能力U 取值為22 %。

1.3.1 非國產(chǎn)化樣機(jī)狀態(tài)分析

根據(jù)非國產(chǎn)化件所測量出的脈沖波形形狀，可計算出脈沖的能量值（I2t）：

測試顯示瞬態(tài)電流I瞬1為74.4 A，脈沖持續(xù)時間T瞬1為200 us，結(jié)合公式（1）、公式（2）可計算上電時產(chǎn)生的脈沖能量值：

考慮熔斷器需要承受脈沖次數(shù)為10 萬次，結(jié)合公式（3），則所需的熔斷器的能量值:

因此適配非國產(chǎn)化件射頻功放模塊的熔斷器選型需滿足大于Q需1=1.478A2s。

保險絲的電流-時間特性曲線圖，如圖5 所示。

圖5 電流-時間特性曲線圖

從圖5 電流-時間特性曲線可以看出，保險絲WRK-Ⅱ-250V-3N 在74.4A 脈沖電流時能承受的最大能量值為Q3N= I2t=74.4×74.4×0.001 A2s=5.53 A2s，該能量值滿足Q3N≥Q需1，說明WRK-Ⅱ-250V-3N 保險絲選型滿足非國產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性的設(shè)計要求。

1.3.2 國產(chǎn)化樣機(jī)狀態(tài)分析

根據(jù)國產(chǎn)件所測量出的脈沖波形形狀，計算出脈沖的能量值（I2t）。

根據(jù)測試結(jié)果，瞬態(tài)電流I瞬2為74.4 A，脈沖持續(xù)時間T瞬2為2 ms，此脈沖是在負(fù)載上電瞬間產(chǎn)生，上電時產(chǎn)生的脈沖能量值Q2=I2t=1/5×（I瞬2/K）2×T瞬Q2=1/5×（74.4/82.5 %）2×2/1 000 s ≈3.25 A2s，考慮熔斷器需要承受脈沖次數(shù)，則所需的熔斷器的能量值:

因此適配國產(chǎn)件射頻功放模塊的熔斷器選型需滿足如下要求：

實(shí)際情況： Q需2（100次）≥Q3N,說明匹配射頻功放模塊的WRK-Ⅱ-250V-3N 保險絲只能承受射頻功放模塊小于100 次的上電脈沖，選型無法滿足國產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性的設(shè)計要求，在一定次數(shù)后會造成WRK-Ⅱ-250V-3N 保險絲燒毀。

1.4 機(jī)理分析總結(jié)

本次保險絲的燒毀主要原因在于射頻功放模塊國產(chǎn)化后負(fù)載需求增加，導(dǎo)致國產(chǎn)化后射頻功放模塊的開機(jī)沖擊電流超出了原保險絲的最大耐受能量值，出現(xiàn)燒毀。

2 替代保險絲與原保險絲對比分析

2.1 瞬態(tài)能量分析

基于上述原因分析及測試結(jié)果對保險絲重新選型。同封裝大小保險絲型號有WRK-II-250V-4N、WRK-II-250V-6N、WRK-II-250V-10N，根據(jù)圖5 電流-時間特性曲線，分別計算在74.4A 脈沖電流時各保險絲可承受的最大能量值。

保險絲WRK-Ⅱ-250V-4N 在74.4 A 脈沖電流時能承受的最大能量值為：

保險絲WRK-Ⅱ-250V-6N 在74.4 A 脈沖電流時能承受的最大能量值為：

保險絲WRK-Ⅱ-250V-10N 在74.4 A 脈沖電流時各保險絲可承受的最大能量值為：

經(jīng)上述理論計算WRK-Ⅱ-250V-4N 的保險絲Q4N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能滿足國產(chǎn)化與非國產(chǎn)化負(fù)載特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險絲Q6N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能滿足國產(chǎn)化與非國產(chǎn)化負(fù)載特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-10N 的保險絲Q10N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s 同時能滿足國產(chǎn)化非國產(chǎn)化負(fù)載特性要求，但考慮負(fù)載特性因素，WRK-Ⅱ-250V-4N、WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險絲即可滿足使用，WRK-Ⅱ-250V-10N的保險絲過余量設(shè)計，存在起不到過流保護(hù)作用的風(fēng)險。

2.2 穩(wěn)態(tài)電流分析

考慮穩(wěn)態(tài)電流降額情況，實(shí)測本負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流為2.05 A，根據(jù)國軍標(biāo)GJB/Z 35-1993 元器件降額準(zhǔn)則[5]，保險絲降額系數(shù)為0.45~0.5，保險絲選型應(yīng)大于2.05/0.5= 4.1 A，由此可知WRK-Ⅱ-250V-4N 保險絲不滿足使用要求。因此本設(shè)計中采用WRK-Ⅱ-250V-6N的保險絲進(jìn)行原位替換。

3 驗(yàn)證情況

更換WRK-Ⅱ-250V-6N 保險絲后，對返廠設(shè)備進(jìn)行全面性能檢測及高、低溫、溫沖測試，功能、性能正常，指標(biāo)符合協(xié)議書要求，采取的措施有效可行，故障消除。

4 結(jié)束語

本文針對機(jī)載設(shè)備過流導(dǎo)致保險絲燒毀問題，實(shí)測負(fù)載啟動沖擊電流波形，提出了一種保險絲選型方法。通過替代的保險絲與原保險絲在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進(jìn)行對比分析，論證了替代保險絲的有效性。此方法彌補(bǔ)了電路設(shè)計中的缺陷，已實(shí)際應(yīng)用在我單位電源系統(tǒng)設(shè)計中，同時可作為后續(xù)機(jī)載設(shè)備保險絲的選型依據(jù)，提高整機(jī)的可靠性及安全性。