一种滤波转换模块故障模式分析

王俊华，章 磊，徐志欢，袁飞马

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

滤波转换最基本的功能是将直流电中的交流成分滤去。该滤波转换模块的主要功能是对发电机输出的含有交流分量的直流电压进行滤波，使直流电压纹波限定在一定的范围内，用于提供稳定的直流电压信号。通过对该型滤波转换模块的工作电路进行分析，建立相应的故障树，找出对产品功能影响较大的元器件，并采取相应的设计措施，从而提高产品的质量和可靠性。

1 产品电路及工作原理说明

1.1 电路图

该滤波转换模块的电原理框图如图1 所示。详细的电路图如图2、图3 所示。

图1 电原理框图[1]

图2 电路图-1[2]

图3 电路图-2

图中各部分电路的功能为：

1） 滤波电路：滤波部分是一个普通的LC 无源滤波器，主要对发电机输出电压进行滤波。

2） 取样电路：是一个电阻分压电路，对发电机的输出电压，即滤波转换模块的输入电压进行分压取样。

3） 辅助电源：是一个用稳压管进行稳压的电路，为其他部分电路提供一个稳压信号。

4） 基准电压：采用线性电源芯片7805 产生基准电压，为比较器A 提供一个电压基准。

5） 电压比较：对取样电压与基准电压进行比较。

6） 延时电路：当发电机的输出电压达到规定的电压值后，经过一定时间的延时，发出电压信号。

1.2 工作原理

该滤波转换模块包括滤波电路和转换电路两部分。其工作原理为：取样电路对输入电压进行取样，得到的信号与基准电压进行比较，当发电机的输出电压达到规定的电压值时，比较器翻转输出高电平，该信号经过一定时间的延时后，继电器吸合，输出电压信号。

2 故障模式分析

因该滤波转换模块由滤波电路和转换电路两部分组成。 所以分别对两部分电路进行故障模式分析。

2.1 滤波电路故障模式分析

滤波电路的故障模式有两种，分别为：纹波超差、无输出电压。

2.1.1 纹波超差

顶事件纹波超差有4 个子事件：熔断器开路、滤波电容器失效、电感短路、熔断器与滤波电容之间连接线路开路。对4 个子事件展开分析，并绘制故障树，如图4 所示。

图4 纹波超差故障树

2.1.1.1 熔断器开路

若熔断器开路，滤波电路其他部分工作正常，则滤波电容被断开，LC 滤波由电感进行滤波，滤波性能和抗动态负载能力减弱，可能会导致纹波超差。

2.1.1.2 滤波电容失效

1） 若滤波电容开路，滤波电路其他部分工作正常，则LC 滤波由电感进行滤波，滤波性能和抗动态负载能力减弱，可能会导致纹波超差。

2） 若滤波电容短路，滤波电路其他部分工作正常，则熔断器能有效熔断，滤波电容被断开，LC 滤波由电感进行滤波，滤波性能和抗动态负载能力减弱，可能会导致纹波超差。

3） 若滤波电容参数漂移，滤波电路其他部分工作正常，则滤波性能和抗动态负载能力减弱，可能会导致纹波超差。

2.1.1.3 电感短路

若电感短路，滤波电路其他部分工作正常，则LC滤波由电容进行滤波，抑制纹波能力减弱，可能会导致纹波超差。

2.1.1.4 熔断器与滤波电容之间连接线路开路

若熔断器与滤波电容之间连接线路开路，滤波电路其他部分工作正常，则LC 滤波由电感进行滤波，滤波性能和抗动态负载能力减弱，可能会导致纹波超差。

2.1.2 无输出电压

顶事件无输出电压有两个子事件：电感开路、连接线路开路。这两个子事件都会造成滤波电路无输出电压。 故障树如图5 所示。

图5 无输出电压故障树

2.2 转换电路故障模式分析

转换电路的故障模式有三种，分别为：转换点电压值超差、延时时间超差和无电压信号输出。

2.2.1 转换点电压超差

顶事件转换点电压超差有4 个子事件：基准电压电路故障、电压取样电路故障、电压比较电路故障、继电器故障。对这4 个子事件展开分析，绘制故障树，如图6 所示。

图6 转换点电压超差故障树

2.2.1.1 基准电压电路故障

若7805 输出电压不稳定，其他部分工作正常，若基准电压输出偏低，转换点电压值降低，电压信号提前收到。 若基准电压输出偏高，转换点电压值升高，电压信号滞后收到。

2.2.1.2 电压取样电路故障

1） 若电阻R5 开路，其他部分工作正常，则取样电压偏高，转换点电压值可能降低，电压信号提前收到。

2） 若电阻R4、R5 参数漂移，其他部分工作正常，则取样电压漂移，转换点电压值可能降低或增高，电压信号提前或滞后发出。

2.2.1.3 电压比较电路故障

1） 若比较器A 短路，其他部分工作正常，则比较器A 输出低电平，转换点电压值降低，电压信号提前收到。

2） 若比较器A 开路，其他部分工作正常，则比较器A 无输出，转换点电压值降低，电压信号提前收到。

2.2.1.4 继电器故障

1） 若继电器不能断开，其他部分工作正常，则转换点电压值降低，电压信号提前收到。

2） 若三极管V3 短路，其他部分工作正常，则转换点电压值降低，电压信号提前收到。

2.2.2 延时超差

顶事件转换点电压超差有1 个子事件：延时电路故障。 对该子事件展开分析，绘制故障树，如图7 所示。

图7 延时超差故障树

若电容C10 开路，其他部分工作正常，则无延时时间，发电机建压后立即发出电压信号。

2.2.3 无供电信号输出

顶事件无输出电压有5 个子事件：基准电压电路故障、辅助电源电路故障、电压取样电路故障、比较电路故障、继电器故障。对这5 个子事件展开分析，绘制故障树，如图8 所示。

图8 无供电信号输出故障树

2.2.3.1 基准电压电路故障

1） 若7805 输出电压偏高，其他部分工作正常，则基准参考电压输出偏高，发电机建压后延时输出电压信号或者无电压信号输出。

2） 若7805 输出电压偏低，其他部分工作正常，则基准参考电压输出偏低，发电机建压后提前输出电压信号。

2.2.3.2 辅助电源电路故障

若电阻R1 开路，其他部分工作正常，则辅助电源无输出，比较器A 不工作，不能进行电压比较，发电机建压后无电压信号输出。

2.2.3.3 电压取样电路故障

1） 若电阻R4 开路，其他部分工作正常，则比较器A 无输入电平，不能进行电压比较，发电机建压后无电压信号输出。

2） 若电容C9 短路，其他部分工作正常，则比较器A 输入为低电平，输出也为低电平，发电机建压后无电压信号输出。

2.2.3.4 比较电路故障

1）若比较器A 模拟输出失效，其他部分工作正常，则比较器A 输出电平不正常，电压信号输出不正常。

2） 若电阻R7（R11）开路，其他部分工作正常，则比较器A 输出为低电平，输出也为低电平，发电机建压后无电压信号输出。

3） 若电容C10 短路，其他部分工作正常，则比较器A 输出为低电平，发电机建压后无电压信号输出。

2.2.3.5 继电器故障

1） 若继电器触点不能吸合，其他部分工作正常，则发电机建压后无电压信号输出。

2） 若二极管V4 短路，其他部分工作正常，则继电器不能吸合，发电机建压后无电压信号输出。

3） 若三极管V3 开路，其他部分工作正常，则继电器不能吸合，发电机建压后无电压信号输出。

4） 若电阻R12 开路，其他部分工作正常，则继电器不能吸合，发电机建压后无电压信号输出。

从上面的分析可知，不同元器件失效时对产品有不同的影响。 有些元器件失效时对产品影响较小。 有些元器件失效时对产品影响比较大。影响较大的故障模式为：无输出电压和无电压信号。

3 设计措施

对于无输出电压的情况模式，从图5 可知，故障原因有电感开路和连接线路开路两种。对电感线圈采用4 根截面1.94mm2的漆包线并绕， 形成冗余结构形式，能够有效降低电感器开路的情况发生。 电连接器线路采用双点双线路，能够有效降低连接线路开路的情况发生。

对于无电压信号输出，从图8 可知，故障原因包含多种元器件失效。针对这些情况，将失效率相对较高的比较器A 设置为重要件，加强对该器件的质量控制；采用继电器自锁控制的方法，消除由于其他器件失效导致电压信号异常的情况。

4 结语

在对该型滤波转换模块失效模式分析的基础上，建立了5 种失效模式的故障树，针对故障的影响程度采取了相应的设计措施。经过多次地面试验及带飞试验表明，这些措施能有效降低或避免故障发生的情况，从而提高产品的质量和可靠性。