師 維，白夢嬈

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710054；2.西安航天精密機電研究所，陜西 西安 710199）

0 引 言

計算機組件是某型控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是接收和處理接收機發(fā)送來的數(shù)據(jù)和信息，產(chǎn)生下一級各項實施電路所需的控制信號和必要的時間基準(zhǔn)[1]，其功能的正常為某型控制系統(tǒng)的正常工作提供了基礎(chǔ)保證。近期，在某型控制系統(tǒng)產(chǎn)品返廠檢修中，出現(xiàn)了“時標(biāo)信號”輸出異常的現(xiàn)象。經(jīng)原理分析和檢測，是由于計算機組件輸出功能異常，導(dǎo)致輸出的間隔脈沖信號（時標(biāo)信號）超差，進(jìn)而影響使用。具體故障現(xiàn)象為：計算機組件第1 通道輸出的間隔脈沖信號異常。本文針對此現(xiàn)象，對模塊工作機理及故障原因進(jìn)行了分析，對模塊故障點進(jìn)行性能及應(yīng)用上的分析。

1 原理分析

計算機組件包含8 路輸出通道，這8 路通道由獨立且完全相同的電路組成，其中第1 通道為間隔脈沖輸出通道。單通道電路原理圖如圖1 所示。

圖1 單通道電路原理圖

從圖1 可知：當(dāng)前級光耦PS2801-4 截止時，三極管V3發(fā)射結(jié)反偏，三極管截止；當(dāng)前級光耦PS2801-4 導(dǎo)通時，三極管V3發(fā)射結(jié)正向?qū)?，基極電流約為0.5 mA；當(dāng)集電極負(fù)載電流小于50 mA，三極管工作在飽和區(qū)，CE 飽和壓降接近于0 V[2]。經(jīng)分析，通道電路原理與模塊應(yīng)用情況合理，滿足由生產(chǎn)廠家提供的該型號三極管2SA9015 的規(guī)范要求（詳細(xì)參數(shù)見表1 所列），因此正常使用不會導(dǎo)致通道輸出異常。

表1 三極管2SA9015 最大額定值

2 故障排查及分析

2.1 故障排查

經(jīng)測試，本故障組件第1 通道（間隔脈沖）的輸出信號異常，將組件開殼去膠后，觀察到第1 通道對應(yīng)的三極管V3塑封外殼表面有明顯變形。用萬用表測量第1 通道上的電阻阻值、電容的通斷，以及三極管V3（2SA9015）的EB、BC結(jié)導(dǎo)通電壓和阻值，發(fā)現(xiàn)第1 通道上三極管V3（2SA9015）的EB 結(jié)電壓和電阻值異常，其他參數(shù)器件均正常[3]。相關(guān)測試值見表2 所列。

表2 第1 通道測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，三極管V3（2SA9015）的損壞直接導(dǎo)致了“間隔脈沖”信號的輸出異常。將失效的三極管V3拆下后，發(fā)現(xiàn)三極管V3底部PCB 板存在燒灼損毀現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 組件PCB 板損壞實物圖

2.2 三極管失效原因分析

2.2.1 三極管失效故障樹

從元器件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、外部電應(yīng)力、操作使用等方面分析[4]可能導(dǎo)致三極管損壞失效的各個環(huán)節(jié)，建立故障樹如圖3 所示。

圖3 三極管損壞失效故障樹

根據(jù)故障樹可知，導(dǎo)致三極管損壞的可能底層事件分別為：（1）X1：器件質(zhì)量問題；（2）X2：測試操作不當(dāng)；（3）X3：焊接問題；（4）X4：回流焊溫度過高；（5）X5：異常電應(yīng)力；（6）X6：操作使用不當(dāng)。

2.2.2 故障因素分析

（1）器件質(zhì)量問題分析

本組件所用三極管（2SA9015）在設(shè)計階段及批產(chǎn)階段均選用軍用質(zhì)量等級器件，從軍用元器件生產(chǎn)廠家采購。經(jīng)查，所用三極管（2SA9015）器件的合格證及檢驗報告齊全，同批次三極管（2SA9015）在內(nèi)部生產(chǎn)、測試、老煉篩選等各個環(huán)節(jié)和過程中，未出現(xiàn)過任何故障，表明該批次器件質(zhì)量無問題。因此X1分支可以排除。

（2）生產(chǎn)工藝問題分析

①測試不當(dāng)

測試過程中，若操作人員疏忽造成三極管集電極與電源管腳發(fā)生短接，有可能造成三極管損壞。但該組件在各個加工與試驗環(huán)節(jié)后均進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，且在出廠前進(jìn)行了產(chǎn)品終測并記錄了終測數(shù)據(jù)。該組件終測數(shù)據(jù)正常且滿足技術(shù)指標(biāo)。因此X2分支可以排除。

②焊接問題

若三極管焊接中出現(xiàn)管腳虛焊或者管腳短路問題，在組件出廠前就會暴露，組件將無法通過出廠前的檢測。該組件故障出現(xiàn)后打開組件未發(fā)現(xiàn)短路和虛焊現(xiàn)象。因此X3分支可以排除。

③回流焊溫度過高

經(jīng)核查，該組件PCB 回流焊工藝均嚴(yán)格按照內(nèi)部回流焊工藝進(jìn)行操作。回流焊預(yù)熱溫度為200 ℃，回流焊峰值溫度為245 ℃，符合該組件上所使用元器件的焊接溫度要求。因此，回流焊工藝不存在問題，X4分支可以排除。

（3）異常電應(yīng)力分析

計算機組件信號輸出至下一級實施電路，同時輸出至記錄電路進(jìn)行記錄。下面對與計算機組件相連接的兩路接口進(jìn)行分析。

①“間隔脈沖”信號與記錄電路接口

“間隔脈沖”信號輸出至記錄電路進(jìn)行記錄，如圖4 所示。由圖4 可以看到，正常工作條件下，記錄電路中LM124比較器輸入阻抗應(yīng)呈高阻，無論計算機中2AS9015 三極管導(dǎo)通還是截止都不會與LM124 比較器產(chǎn)生大電流回路[5]。

圖4 計算機組件與記錄電路連接

②“間隔脈沖”信號與下一級實施電路接口

“間隔脈沖”信號是計算機組件發(fā)送給下一級實施電路的，如圖5 所示。由圖5 可知，下一級實施電路中二極管V14的電流流向是從計算機組件至下一級實施電路的。當(dāng)計算機電路中的三極管V3截止時，計算機組件中的-15 V 通過限流電阻R23以及下一級實施電路中的R33、V5、V14等器件，與下一級實施電路上的0 V 和15 V 形成回路。此時流過V3的電流不會超過1.5 mA[6]。

圖5 計算機組件與下一級實施電路電氣連接

綜上所述，正常使用條件下，無論三極管控制導(dǎo)通還是截止，下一級實施電路接口電路都不會產(chǎn)生過大電流，不會使計算機組件內(nèi)的三極管損壞。經(jīng)測試，返廠的某導(dǎo)頭段各組件均合格。為了排除下一級實施電路接口異常而使計算機通路上的三極管失效的可能性，將故障計算機維修完成后安裝回原系統(tǒng)中（與同一某段配對）進(jìn)行檢查臺檢測，結(jié)果顯示某控制段與某導(dǎo)頭段功能正常，所以排除了某導(dǎo)頭段中的下一級實施電路接口異常而產(chǎn)生過大電流致使計算機通路上的三極管失效的可能性。因此X5分支可以排除。

2.2.3 操作使用分析

根據(jù)電子組件特性，若在未完全斷電的情況下，一旦對產(chǎn)品接口進(jìn)行插拔操作，瞬間會產(chǎn)生大電流，相當(dāng)于正常使用的很多倍，該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三極管額定電流。該大電流不僅具備擊穿模塊三極管V3的能力，且具備燒灼PCB的能力[7]。因此X6分支具備可能性。

2.3 故障原因分析

在返廠維修的計算機產(chǎn)品中，計算機組件故障率較高，基本都為模塊內(nèi)部對應(yīng)通道內(nèi)三極管失效。通過以上分析可知，計算機組件器件質(zhì)量、生產(chǎn)工藝均無問題，并且與計算機連接相關(guān)接口電路也均合格，無產(chǎn)生過大電流的可能性。排除了以上原因后，可判斷為：若現(xiàn)場操作人員對于產(chǎn)品測試操作不熟練，或沒有按相關(guān)測試要求進(jìn)行接口插拔操作，就會在異常操作的瞬間產(chǎn)生大電流損壞系統(tǒng)電路薄弱區(qū)域。該組件設(shè)計的抗壓范圍及能力相對于整個系統(tǒng)來說稍偏薄弱，正常使用條件下性能參數(shù)穩(wěn)定，

3 采取措施

由于故障計算機組件印制板已損壞，所以更換印制板，并重新安裝元器件。經(jīng)調(diào)試、測試，故障現(xiàn)象排除。

為防止類似故障發(fā)生，嚴(yán)格規(guī)范計算機組件調(diào)試工藝及相關(guān)操作方法。在產(chǎn)品測試及使用過程中，必須在插入式設(shè)備完全斷電的情況下，方可進(jìn)行產(chǎn)品接口插拔操作。具體措施如下：

（1）操作人員須嚴(yán)格遵守電子產(chǎn)品調(diào)試操作規(guī)范，測試前應(yīng)觸摸人體靜電釋放器；在測試計算機組件時應(yīng)穿防靜電工作服、工作帽，佩戴防靜電手鐲。

（2）產(chǎn)品測試通電前，檢查接口電路接插電纜的緊固度，確保接插可靠；先打開計算機檢查臺的工控機電源及顯示電源，再打開檢查臺電源；打開功能測試軟件先進(jìn)行單項測試，測試合格后再進(jìn)行全部測試項目。

（3）在產(chǎn)品測試完成后，確認(rèn)檢查臺完全斷電后，等待產(chǎn)品電容電感積累的電量釋放，5 min 后再進(jìn)行計算機組件的插拔操作。

以上措施均在計算機組件調(diào)試工藝中作了進(jìn)一步要求及細(xì)化，操作人員嚴(yán)格按要求進(jìn)行產(chǎn)品測試，再未出現(xiàn)類似故障。

4 電路改進(jìn)研究

在三極管選型中，其耐壓及過流能力雖滿足電路電器參數(shù)及外圍電路的設(shè)計要求，但從產(chǎn)品系統(tǒng)的總體設(shè)計和返廠產(chǎn)品的故障來看，三極管的抗壓能力稍顯不足，需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以提高抗壓能力[8]。

根據(jù)圖1所示模塊單通道電路建立帶負(fù)載情況下的模型，如圖6 所示，假設(shè)外部電壓為Ux，負(fù)載阻抗為Rx。

圖6 帶負(fù)載情況下的模型

由圖6 可知，三極管導(dǎo)通狀態(tài)下通過的電流為15/1.2+Ux/Rx。若該電流超過其額定電流，會對三極管造成損傷，特別是在負(fù)載阻抗Rx變小或Ux變大時，電流會增大。因此，該三極管很容易受外部電路影響[9]。

若在輸出端增加保護(hù)電阻R[10]，如圖7 所示，則三極管導(dǎo)通時通過的電流為15/1.2+Ux/(Rx+R)，在Rx變小的情況下，受電阻R的保護(hù)，使通過三極管的電流不至于過大，可以在一定程度上避免三極管受到?jīng)_擊[11]。由于該模塊在系統(tǒng)中與多個組件有接口關(guān)系，因此在增加保護(hù)電阻的同時還應(yīng)考慮其輸出在系統(tǒng)中的需求，改變對應(yīng)組件的相關(guān)電路設(shè)計。

圖7 增加保護(hù)電阻模型

5 結(jié) 語

根據(jù)本文的分析可知，某計算機控制組件“時標(biāo)信號”輸出異常是由于組件內(nèi)部三極管失效引起的。通過對三極管失效原因進(jìn)行分析，排除了器件質(zhì)量問題、工藝問題、異常電應(yīng)力等原因，確定組件故障是由于現(xiàn)場的操作人員對產(chǎn)品原理不熟悉，在未斷電情況下或斷電后未等待積累電量釋放完全就進(jìn)行了組件插拔，以及操作抗壓能力不足的相關(guān)器件致其損壞而引起的。本文提出的在組件輸出端增加保護(hù)電阻的方法，可以使組件內(nèi)部通過三極管的電壓不易隨負(fù)載的變化而變大至超過其最大耐受電壓。保護(hù)電阻阻值的選擇應(yīng)當(dāng)在整個系統(tǒng)中做具體分析，既要保證三極管的安全，又要保證后級電路中其他接口能被驅(qū)動。本文提出的電路改進(jìn)方案為后續(xù)的研究提供了參考。