浪涌抑制器瞬态尖峰电压测试后失效原因分析∗

2019-03-01张文辉

计算机与数字工程 2019年1期

袁文张文辉

（贵州航天计量测试技术研究所贵阳 550009）

1 引言

随着机载电子设备的日益增多和功能日趋完善，机载电子设备的抗浪涌保护显得尤为重要。在飞机供电系统中或其他系统中，当负载突变或继电器、接触器触点的接通和断开时会引起电压瞬变，出现持续时间较长的电压浪涌，可能造成其他设备不能正常工作甚至损坏。因此浪涌抑制器越来越多的应用到了各种电子设备中。浪涌抑制器是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置［1］。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时（本文所指浪涌抑制器均为浪涌电压抑制器），浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害［2］。

2 失效概述

某公司生产的浪涌抑制器（共2只编号：217#、218#）在进行电路压降和输出电流两个参数测试后，利用试验设备（ZJ-3A型浪涌信号发生器和8282-1型尖峰信号发生器）对另两个参数（过压浪涌发生时输出电压和瞬态尖峰电压）进行测试［12］。在完成过压浪涌发生时输出电压的测试后，两只器件功能正常；在进行瞬态尖峰电压测试后，两只器件无输出，器件功能失效。针对该问题，进行失效原因分析。

3 故障定位

3.1 故障查找与定位

发现器件失效后，通过生产厂了解到该器件采用的是厚膜混合集成电路工艺，裸芯片组装，全密封金属外壳［3，8］。其工作原理如图1所示。

利用X光机对失效器件进行了X射线照相检查，发现两只器件输入端键合金丝熔断，分别如图2、图3所示。

图1 器件工作原理图

图2 218#器件局部X光图

图3 217#器件局部X光图

对器件进行开帽后检查发现两只器件内部输入端（输入端原理图如图4）的稳压管D1（型号1N4742）和三极管Q1（型号FZT653）的键合金丝都已经熔断（图5、图6），基本确定是由于电流过大所致［11］。同时发现218#器件主控芯片有烧毁痕迹（图7）。

图4 输入端原理图

就失效现象和测试方法进行研究分析，确定是在进行瞬态尖峰电压测试时通过器件的电流过大导致了器件失效。因此将问题定位于瞬态尖峰电压的测试过程［4］。

图5 217#器件输入端稳压管、三极管

图6 218#输入端稳压管、三极管

图7 218#器件主控芯片

3.2 建立故障树

根据浪涌抑制器失效的问题展开分析，并建立故障树，见图8。该故障树由顶事件E1、一个中间事件E2以及5个底事件X1、X2、X3、X4、X5组成［9，15］。

图8 浪涌抑制器测试失效故障树

3.3 故障树分析

3.3.1 测试人员操作失误（X1事件）

经检查测试时的接线方式按验证时的接线连接，设备操作按设备使用说明书的要求操作，确认在瞬态尖峰电压测试时测试人员不存在操作失误，因此可以排除X1事件。

3.3.2 测试设备异常（X2事件）

经检查所用的测试设备8282-1型尖峰信号发生器在计量有效期内使用，且在器件失效后对设备进行了重新校准验证，确认设备在测试时无异常，因此可以排除X2事件。

3.3.3 器件自身质量问题（X3事件）

通过开帽照相分析检查，发现器件输入端键合尽丝熔断，确认是由于输入端通过的电流过大造成。同时检查器件的筛选和出厂检测报告，结果均合格。可以排除器件本身质量问题，因此可以排除X3事件［6］。

3.3.4 未带载测试（X4事件）

图9 实际瞬态尖峰电压测试连接图

由于在瞬态尖峰电压测试时，实际测试线路（图9）中未按器件技术协议中提供的瞬态尖峰电压测试连接图中（图10）要求的在器件输出端连接电子负载测试。经用生产厂提供的样片进行了验证测试，证实了未带载测试只会对输出幅度造成影响（空载输出值28V，带载2A输出值27.5V），不会造成大电流使器件内部键合金丝熔断，因此可以排除X1事件。

图10 技术协议要求瞬态尖峰电压测试连接图

3.3.5 施加尖峰电压过高（X5事件）

由于我所使用的尖峰信号发生器是在5Ω阻抗匹配条件进行的输出校准，其等效电路如图11所示，图中UO为尖峰信号发生器的输出指示值。在进行瞬态尖峰电压测试时，测试人员理解试验条件尖峰电压是设备输出指示值为600V，生产厂是在输出开路条件下用示波器（1MΩ阻抗）监测图10中A、B端为600V尖峰电压作为试验条件［5］，后经实际测试验证，在开路状态下，当尖峰信号发生器（8282-1）设置输出尖峰电压指示值为600V时，用示波器（内部阻抗1MΩ）在源阻抗变换器（2201-2）输出端（图10中A、B端）测得的实际开路尖峰电压为1200V［4］。

图11 尖峰信号发生器校准等效电路

3.4 分析结果

通过以上故障树中各个事件的详细描述可以得出结论，浪涌抑制器瞬态尖峰电压测试后失效是因为在瞬态尖峰电压测试时施加的尖峰电压过高导致器件输入端通过的电流过大以致器件失效。

4 原因及机理分析

在图11中，当调节尖峰信号发生器指示值Uo为600V时，由欧姆定律可以计算出内部阻抗Z0的电压为Uz0=（600V/5Ω）×5Ω=600V，此时尖峰信号发生器内部源 U0输出的电压为600V+600V=1200V［11］。因此在进行瞬态尖峰电压测试时，源阻抗变换器2201-2的作用是把尖峰信号发生器的内部阻抗通过其变换成50Ω（等效电路如图12所示），即Z0+ZB=50Ω，当尖峰信号发生器输出指示值UO设置为600V时，尖峰信号发生器内部源U0输出的电压为1200V，所以用1MΩ阻抗示波器在A、B点间测试的尖峰电压UAB=［U0/（Z0+ZB+ZL）］×ZL=［1200V/（50Ω+1000000Ω）］×1000000Ω≈1200V。此时通过源阻抗变换器（2201-2）叠加到被测器件输入正端的尖峰电压约为1200V。

图12 瞬态尖峰电压测试

由于在进行瞬态尖峰电压测试时，器件的输入端（图4）引入了1200V瞬态尖峰电压，远超过图1中限幅电路设计值600V瞬态尖峰电压。使通过限流电阻R1（阻值3kΩ）的瞬态电流过大（1200V/3000Ω=0.4A）超过稳压管D1（型号1N4742）能够承受的最大工作电流（指标为0.076A）以及瞬态电流（指标为0.38A），因此在瞬态尖峰电压测试时（1分钟施加50次）当尖峰电压施加几次后导致D1失效［7］。以致尖峰电压沿着晶体管Q1的基极导通至发射极VCC端，VCC是后续控制电路（包括主控芯片等）的电源端，正常情况下幅度在11.3V，由于Q1的击穿导通使尖峰电压直接引入到后续电路中，致使主控芯片等烧毁［10］。