某型飞机刹车控制系统双余度供电电源失效机理分析及改进

王红玲，田广来，赵文庆，孙 倩

（1.西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710072；2.西安航空制动公司系统所 陕西 西安 710074）

某型飞机刹车控制分系统控制单元在机载试验使用中出现了双余度电源失效故障。经试验核实内部主供电回路中的限流电阻熔断，导致产品无法正常上电启动。另外，其他同类产品，在经历环境应力筛选试验后，也出现了限流电阻变黑或限流电阻装配位置PCB发生过热烧毁的现象。

针对上述故障现象，我们对产品电源系统进行了相关试验的仿真分析，得出了故障解决方案。

1 双余度电源供电电路

图1为产品电源供电电路示意图，其中Rs为供电线等效阻抗，D1、D2为主供电回路输入二极管，Rr为限流电阻，C为输入端供电电容，D3、D4为DC/DC变换器二次电源模块[1]前端输入二极管。 其中，Rr为 1 Ω/3 W，C 为 10 000 μF，经过粗略测算，Rs/2为0.7 Ω。Rr是失效故障部位。

图1 电源供电示意图Fig.1 Power supply

2 失效机理分析与验证

2.1 失效故障分析

从图1电源供电电路来看，Rr限流电阻处于主回路当中。就是说，无论是在电源启动上电过程还是在稳态工作过程，或浪涌电压导致输入电压波动时，Rr均受到主回路电流波动的影响而造成功率消耗，功率消耗的大小随主回路电流的变化而变化[2]。

从限流电阻Rr失效现象来看，可以分为两种状况：

1）限流电阻Rr变黑，伴随着装配部位PCB受热烧毁：说明经过Rr的电流，即主回路电流过大，导致Rr消耗的功率超过其额定功耗，造成发黑现象，同时限流电阻发热导致装配位置的PCB受热烧毁。由于筛选过程中经历多次上电过程，且产品在筛选过程中均能够上电工作，经核算，稳态工作时主回路电流在Rr额定电流范围之内，因此，限流电阻Rr发黑现象可能是由于Rr多次受上电电流冲击造成的积累效果。

2）限流电阻Rr烧毁：说明Rr经历了长时间的大电流工作，导致其损耗远大于其额定功耗，因而造成烧毁。这也反映出电路供电主回路出现了某种故障，最为明显的是短路故障。

2.2 失效故障验证

针对上述分析的两种故障现象，我们针对产品进行了相关试验验证，以确定故障所在。

1）限流电阻Rr变黑

图2是VIN为28 V时，产品上电过程输入电压和输入电流的变化曲线，其中蓝色曲线（上）为主回路输入电压，黄色曲线（下）为主回路输入电流。可以看到，在输入电压建立过程中，输入电流逐渐增大，峰值电流为12 A左右，主回路电流超过5 A的时间在50 ms左右。以主回路经过Rr的电流为5 A来计算，此时Rr的最低功耗在6.25 W，是额定功耗的两倍。而峰值功耗为36 W，是额定功耗的12倍。应该说，启动电压建立过程中，Rr消耗的功率会累积造成电阻发黑。

图2 输入电压和输入电流的变化曲线Fig.2 Changes in input voltage and input current curve

进一步分析主回路电流的流向，图3是DC/DC变换器[3]二次电源模块在上电启动过程中，输入电压与输入电流的变换曲线，其中蓝色曲线（上）为二次电源模块输入电压，

黄色曲线（下）为二次电源模块输入电流。可以看出，启动过程中，二次电源模块输入峰值电流在7 A左右，脉冲宽度小于10 ms。

在产品达到稳态工作时，输入电流在2 A左右，限流电阻Rr处于其额定功耗范围内。

经过上述对比分析，可以看出，在产品上电过程中，由于Rr处于主回路当中，输入电容C充电和二次电源模块启动形成的浪涌电流导致Rr瞬间功耗过大，最低功耗超过额定功耗两倍的时间大于50 ms，这对限流电阻会造成冲击损伤，经反复多次上电冲击后，会造成累积效应，导致电阻表面发黑。进一步来说，输入电容C充电过程导致启动时间变长，进一步加剧了Rr功率消耗。

图3 二次电源输入电压与输入电流变化曲线Fig.3 Secondary power input voltage and input current change curve

2）限流电阻 Rr烧毁

Rr经多次上电启动后累积效应会导致其阻值向上偏移，这会导致启动过程中其损耗加剧，存在瞬间烧毁的可能。但是造成限流电阻Rr烧毁更可能的故障是输入主回路在上电过程中发生故障造成短路，那么此时Rr消耗的功率将达到50 W，超过额定功耗10倍之多，短路时间稍长，就会造成Rr烧毁。

进行多次启动上电过程，并在上电启动过程中有意造成多次掉电重启，以模拟触碰开关波动情况。最后，捕捉到了图4，蓝色曲线（下）为二次电源模块输入电压，黄色曲线（上）为二次电源模块输入电流。二次电源模块在上电过程中启动电流大，由于输入线上阻抗较大，导致二次电源模块输入电压瞬间拉低，表现为短路现象。可以看出，在掉电重启时，二次电源模块输入端电压仍存在2 V左右的剩余电压。在输入电压随输入电容充电上升过程中，达到13 V左右时，此时二次电源模块内部的BOOST升压电路开始工作，与此同时后端的多路DC/DC功率变换电路也要启动，因此，会产生很大的输入浪涌电流，从图示中可以看出达到30 A，此时，受前端主回路阻抗影响，导致二次电源模块输入端电压瞬间被拉低，而BOOST功率开关由于已经切换到内部储能电容供电，受反馈环路响应时间影响，无法瞬间关断，导致二次电源模块输入端呈现短路状态。此时，主回路电流会被钳位在10 A左右，那么，Rr功率消耗会高达25 W，时间稍长，就会造成限流电阻Rr烧毁。

进行了多次试验，模拟了故障现象，存在下面3个关键参数条件：

①二次电源模块输入端上电时间：由于二次电源模块输入端存在的输入电容C较大[4]，造成上电时间缓慢，从图2可以看出，达到100 ms，这会造成在上电过程中，因二次电源模块内部功率电路启动，产生启动输入瞬态电流，导致输入端电压产生较大的下降，在BOOST电路启动后，随着输入端电压下降，会进一步增大输入电流，形成输入端电压进一步下降的趋势，直至输入端电压被拉低，呈现短路状态。

图4 二次电源输入电压与输入电流变化曲线Fig.4 secondary power input voltage and input current change curve

②二次电源模块输入前端线路阻抗：输入前端线路阻抗在产品启动过程中影响较大，相对合理的阻抗有利于抑制启动瞬态电流。但阻抗过大会导致二次电源模块启动瞬间（大约为13 V），因启动电流在输入阻抗产生较大压降，引起输入二次电源模块的端电压下降较大，造成反复重启，引起短路状态发生。

③掉电重启间隔时间：掉电重启间隔时间较短，会导致二次电源模块内部电容无法完全放电，造成加电偏置启动状态。从目前测试状况来看，以图4为例，二次电源模块的输入端阻抗较大，二次电源模块输入瞬间电流将输入电压被拉低，当输入电压拉低到二次电源模块的正常工作电压外时，容易引起内部BOOST环路无法瞬间关断，呈现短路状态，进而造成输入大电流。

3 改进意见与措施

针对上述分析过程，尤其是限流电阻Rr变黑和烧毁两种失效现象，我们针对性地提出下列改进意见：

针对输入端大电容C充放电应用线路：电容C的作用是利用电容的储能使系统在欠压浪涌试验中能够有足够的能量维持二次电源模块正常工作，为后续设备供电。但电容C的充放电影响产品上电启动过程，一方面会导致Rr（主回路限流电阻相对较小）启动时经受较大功率冲击，另一方面也会导致二次电源模块输入端电压建立时间较长，不利于系统可靠工作。

图5是对图1电路的简单改进。改进后，Rr仅处于C的充电回路中，不影响主回路阻抗，同时改进后Rr可以适当增大，延长C的充电时间，缩短二次电源模块上电启动输入端电压建立时间，避免重复启动故障。但Rr的大小要保证欠压浪涌试验中C能够迅速补充能量，避免二次电源模块因C端电压降低而掉电。

图5 改进后的输入电容C充放电电路（1）Fig.5 The improved input capacitance C to charge and discharge circuit（1）

图6 是对图5电路的进一步改进。改进后，Rr1和Rr2均是限流电阻，仅处于C的充电回路中，不影响主回路阻抗，同时改进后Rr1可以较大，以控制启动电流。在C充电到一定电压后 （取决于 D5，Z2，R2和 R3的值），V1 导通， 打开 M1，此时，由Rr2处于充电回路上，通常Rr2远小于Rr1，以保证在欠压浪涌期间，能够给C补充足够的能量，以保证二次电源模块能正常工作。V1导通时C的电压值要经过试验确定，因为欠压浪涌时，C的电压要降低，但不能低至V1导通时C的电压值，否则，无法保证M1在欠压浪涌期间处于开通状态。

图6 改进后的输入电容C充放电电路（2）Fig.6 The improved input capacitance C to charge and discharge circuit（2）

针对二次电源模块启动瞬态电流过大的问题：二次电源 模块内部集成了浪涌抑制电路，在低端电压时，为了维持输出功率，其输入电流必然较大[5]。二次电源模块目前状态在8 V左右打开供电开关，此时对内部储能电容供电，产生输入浪涌电流脉冲，13 V左右打开BOOST开关，启动升压电路，进而启动后续DC/DC变换，见图3。为了解决因输入阻抗过大，导致电路启动瞬态电流过大问题，并解决二次电源模块在标准输入电压外启动时存在启动电流大的问题。改进措施包括：

输入端增加启动浪涌电流抑制电路：主要是通过控制输入主回路上的MOS功率开关在启动过程中的导通阻抗实现；提高BOOST电路在重复掉电启动时的响应速度[6]：在输入端电压降低至7 V以下时，确保BOOST电路迅速处于关闭状态，避免掉电启动时由于内部储能电容未完全放电导致BOOST功率回路处于短路状态，进而造成产品输入回路出现短路大电流；控制后端DC/DC变换器启动延迟时间：目前，二次电源模块内部BOOST电路启动与后端DC/DC变换器启动几乎是同时的，这会导致启动瞬态电流很大。改进后，后端DC/DC变换器会在前端BOOST电路启动后的20～30 ms后启动，保证输入端电容和内部储能电容均上升至稳定状态后再启动，避免因同时启动造成输入瞬态电流过大，拉低输入端电压的现象。

4 结 论

本研究结果说明了双余度电源设计过程需要从以下几方面进行考虑：上电过程中，要保证电源输入端电容和内部储能电容均到达稳定状态后，才能启动二次电源；电源输入端必须有启动浪涌电流抑制电路；二次电源在重复掉电启动过程中的响应速度要足够快。此方法能解决某型飞机刹车控制系统在试验过程中出现的双余度电源失效故障现象，确保其顺利通过电源特性试验，同时避免上电启动瞬间电流过大而产生电源失效现象。

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