某型无线电高度表电源模块失效分析

高峰 饶盛 关震

摘要：针对无线电高度表直流电源转换模块生产过程中出现的质量问题，通过电性能参数检查、整体气密性检查以及器件内部结构检查，具体分析了电源模块的失效原因，并提出了防护措施，为后期电源模块的设计改进提出要求并制定相应的预防措施。

关键词：电源模块;气密性检查;电容失效;预防措施

0引言

无线电高度表直流电源转换模块作为部件主要供电器件，具有结构相对简单、稳定性好、可靠性高等特点，但是一旦在电源模块生产过程中出现质量问题，将影响无线电高度表的正常使用。

某型航空装备在挂机飞行过程中空中自检发现故障，将该型装备带回地面进行检查，测试发现是该装备的无线电高度表电源故障。为了深入查找无线电高度表电源故障原因，对电源模块的性能参数、结构原理、电性能进行测试，综合考虑产品贮存环境的变化，对电源模块内部器件的失效机理进行深入分析。按照国军标的要求，对电源模块的气密性、元器件性能进行检查，发现电源模块在生产过程中存在密封材料、密封性能及电容抗脉冲能力差等缺陷。

1故障分析过程及定位结果

查询以往的无线电高度表故障情况，发现2014～2016年出现了多次无线电高度表电源测试参数异常情况，具体表现为+27V电源消耗异常，进一步分解检查，确定故障原因为无线电高度表电源模块失效。为此，对电源模块及其外围电路进行分析。

1.1功能原理分析

1）电源模块原理分析

a.封装形式

电源模块整体采用金属封装方式，将转换电路整体放入密闭的金属壳内，并灌入硅胶密封，最后整体焊接在电路板上。

b.内部电路结构

电源模块采用开关电路方式，在模块内部形成LLC谐振电路，产生高频脉冲信号，通过MOS开关管将输入的直流+28.5V电压转换为快速脉冲信号，经过高频变压器降压、整流、滤波后输出+5V和±15V电源电压，其原理如图1所示。

2）电源模块外围电路分析

无线电高度电源板为单板式结构，其主要功能是将输入的直流+28V、±2.8V电压转换输出为+5V、±1 5V电压，为其他电路板提供电源，其原理如图2所示。

电源板由整流滤波电路、电源模块、输出三个部分组成。

电源模块前级和后级的滤波电路由钽电容c1、C2、c3、C4、C13、C14、互感线圈L1、电感L2、整流二极管Vdl和抗饱和稳压管Vd2组成，主要功能是滤除输入的+28V电源中的各种纹波电压，同时降低瞬间浪涌电压对电源模块的影响。

电压转换器件是两种不同型号的电源模块，两个模块分别独立输出+5V和±15V电源，+5V电源输出的最大电流为2000mA，±15V电源输出的最大电流为500mA。

输出电路由滤波器和电容构成，其中滤波器是带铁芯的电感线圈，可以滤除频率较高的纹波及尖峰脉冲，电容可以滤除频率较低的纹波，使输出的电源更加平稳。

1.2电源模块故障定位

根据上述原理，用FLUKE45数字万用表欧姆档对电源模块的输入、输出端电阻进行测量，测量结果为输入电阻趋近于0，输出电阻趋近于无穷大，因此初步判断电源模块失效。

出现故障的电源模块生产年份较早，并经历非密封环境长期贮存，受外部水汽影响概率较大;同时考虑到电源模块采用环氧树脂固定的形式封装，其内部采用大量的分立元件实现AC-DC电源转换功能，因内部器件失效而引起电源故障的概率较大。因此，随机选出4件电源模块进行失效分析，以确定电源模块失效的原因。

2分析过程

为了深入查找电源模块失效原因，对型号为JZF28D15/500D、JZF28S5/2000D共计4个电源模块（批次为0501、0502）进行器件失效分析，发现4个电源模块存在以下问题。

进行测试的4个电源模块在引脚密封处均有气泡冒出，气密性检查不合格。检查结果及检查外观图如表1、图3所示。

生产编号为0502007的电源模块在进行通电测试时输出电压合格。在进行开封后外观检查时发现有电容脱落，经立体显微镜检查，该钽电容的有效焊接面积很少。同时，在检查该模块正面电路时发现该脱落电容与另外相同功能、相同位置的钽电容极性相反，说明该模块存在质量问题。对该电容进行测试时漏电流性能超标。模块背面存在击穿烧毁的钽电容。其性能测试参数结果及失效外观如表2、图4、图5所示。

批次号为0502006的电源模块内部3只钽电容严重烧毁，拆下尚未出现问题的电容进行测试，结果为漏电流不合格，视为失效，如图6所示。

批次号为0501077的电源模块开封后目检发现其正面电路存在虚焊，模块正面电路上的四个滤波电容均存在虚焊，已开路。对其滤波电容的电容量、损耗角正切、漏电流测试，均合格。

除已失效的电容外，对3个电源模块内其他器件进行测试，性能合格。批次号为0502006的电源模块因电容失效、电路板损坏严重，未进行通电测试。

3失效原理分析

基于上述分析可知，电源模块内电解电容器在工作应力和环境应力的作用下，随着贮存时间的延长发生了性能失效。例如，温度应力既可以促使表面氧化、电场强度下降、加速介质击穿，还在潮湿环境下加快了电容的老化程度，加速了电参数的退化。因此，电容器的失效机理与产品类型、材料种类、机构差异、制造工艺及环境条件、工作应力等诸因素有密切关系。

从内部失效机理进行分析，主要考虑钽电容制备过程中物理特性所导致的缺陷。钽电容虽然具备体积小、寿命长及容量误差小等优点，但由于其抗脉冲能力较差及耐电压、电流能力较弱等缺陷，导致在电源行业出现多次钽电容失效、烧毁甚至爆炸等故障事件，批次号为0502006的电源模块就因钽电容漏电流超标、失效导致电源模块失效，输出端短路。因此，设计单位已针对再修产品中的钽电容进行了替换处理，避免故障隐患的发生。

从外部失效机理进行分析，主要從环境因素及人为因素方面考虑失效原因。元器件是有使用寿命的，基本理论上的使用寿命比实际使用寿命时间长，理论上的参数都是在理想环境下的损耗时长。在实际使用中，影响使用寿命的环境因素有很多，如灰尘、杂志、温度、湿度等。电源模块在贮存环境状态良好的情况下，有其能够保持长期有效性的环境适应范围。在电源板上，由于生产工艺中仅使用具有绝缘要求的硅胶进行固定，无密封性要求，因此在长期贮存的情况下，可能由于外部水汽的侵入、电源模块的密封性失效引起整体电路的性能下降，器件的参数会发生变化甚至失去原有的功能。因此，需要从气密性工艺，元器件防护工艺（刷涂、喷漆、浸涂、淋灌等）及产品贮存环境因素等方面综合对元器件的外部失效原因进行分析。

4结论

根据上述分析，综合这两型模块的失效部位、失效模式以及良品钽电容漏电流测试机耐压试验情况，得出导致模块失效的主要原因。

模块中MOs管在关闭时，初级、次级线圈的脉冲电压过高，输出回路中未有尖峰抑制器（饱和电感），导致其滤波电容击穿;由于无线电高度表为非密封部件，内部无充氮保护，在贮存环境条件不良的情况下，产品经过长时间贮存且通电时间较短，外部水汽易进入至电源模块内部，影响模块内器件性能。

5预防措施

由于出现故障的电源模块具有批次性问题特征，且安装在无线电高度表内部存放时间较长，综合电源模块失效分析结论，提出如下预防措施。

制造设计厂家根据此次检查问题改进气密性设计生产工艺，选用效果较好的密封材料，并应选换抗脉冲能力强的电容元器件，避免由于脉冲电压过高导致滤波电容击穿进而导致电源模块失效的情况。

无线电高度表生产单位生产工艺中在添加电路板防护的基础上，涂覆适当的三防漆以避免电路板正面焊点氧化;在模块安装部位涂覆密封胶，对模块进行密封，降低水汽对模块的影响;增强生产过程中的检验力度，防止出现元器件虚焊、极性反接等质量问题。产品使用单位应加强对产品贮存环境的把控，严格控制贮存环境的温湿度，避免由于环境原因导致的电容漏电性能劣化，并对产品定期进行通电检查，保持电源模块钽电容的耐压性，降低元器件失效问题发生的概率。