某型相控阵雷达电源失效分析

赵俊

摘要：介绍了某型相控阵雷达电源失效引起的雷达系统故障，分析了电源失效的原因以及对整个雷达系统产生的影响，针对雷达电源失效这一常见故障制定纠正预防措施，对纠正措施的效果验证后固化，并协同研制单位在产品大修期间进行优化升级，提升了产品可靠性和修理质量。

关键词：相控阵雷达；电子控制单元；失效；机理分析

Keywords：phased array radar；electronic control unit；failure；mechanism analysis

0 引言

某电源是某型相控阵雷达电源分系统的一部分，主要功能是输出1路+36V、2路+5V、1路+12V和1路-5V稳压电源，提供给某型相控阵雷达的T/R组件、波控等单元。

36V是该电源功耗最大的输出支路，输出电流达到64A。电路使用了500WDC/DC变换器，共5只并联输出，变换器模块中设计了一个并联控制电路，模块上的PR脚之间通过隔离变压器耦合接口可实现负载均流。5只模块中的一只作为驱动器模块，其余4只设置为倍增器模块。驱动器模块为主控模块，发送同步脉冲到并联（PR）母线，使各并联模块内高频开关同步工作，从而强制各模块输出电流均衡。每个变换器模块本身具有完善的保护功能，包括输入过压保护、输入欠压保护、输出过流保护、输出过压保护及过温保护等。其中，给T/R组件供电的36V电源在37V和32V分别设有过压、欠压保护点，通过与比较器电路连接，当输出低于32V或高于37V时，比较器反转，控制光耦导通，将变换器模块的PC端子电压拉低至2.3V以下，即可关断电源输出。

该电源失效会导致T/R组件、波控单元等雷达主要分系统工作异常，引起环控系统监控控制紊乱、成片T/R组件无法正常工作、无法启动波束扫描等一系列故障，最终导致雷达无法正常发现跟踪目标，丧失作战能力。

1 故障现象及排查

1.1 故障现象

雷达启动过程中多次出现下列故障：任务电子系统雷达分系统ECU单元无法正常启动，显示屏无法正常显示；待雷达系统全部启动后，包括ECU、T/R、波控等多个单元报故障；雷达系统进行校正测试，天线接收、发射幅度图均不符合指标要求；波瓣分布图不合格。

1.2 排查过程

对ECU单元进行排查，用测试设备采集波控和电源模块传感器数据，地址无法获取。检查其电路，发现有一路该电源模块传感器信号输出端与地线短路，该短路导致传感器数据读取失败。根据排查的初步结果，现场对该电源模块、波控单元、ECU子系统进行拆卸检查，发现右面第二块电源模块输入端插头及其对应电源盒上的插座均已烧坏。

通过现场烧灼情况判断此处发生过打火。进一步检查整个电源供电分系统发现，除该处接插件烧毁外，ECU分机模块、39个传感器（含24個电源模块传感器、15个波控系统传感器）均有不同程度损伤。

2 失效分析

2.1 电源盒外围电路分析

从故障现象分析，故障原因是电源盒上的插座打火，导致插针短路，而后270V直流电压从供电端口窜入环控系统的传感器电源系统（见图1），进而导致ECU分机模块故障以及并联的24块电源模块内传感器、15块波控系统内传感器失效。

2.2 DS18B20型传感器失效分析

本系统采用1-Wire总线温度传感器DS18B20，引脚示意如图2所示。DS18B20的工作电压为3～5.5V，工作温度范围为-55℃～+125℃，测量温度范围为-55℃～+125℃，引脚对地电压范围为-0.5～+6.0V。DS18B20原理图如图3所示，从原理图可知，当任一引脚被引入270V高压之后都会导致引脚之间的二极管被击穿，从而导致传感器失效。

通过分析传感器的工作原理及内部结构并结合对传感器的测试结果，得出以下结论：电源盒连接器A端口A15（+270V）、A8（传感器电源+5V）、A9（传感器电源地）、A10（传感器DQ）插针间短路，造成打火，致使连接器失效；270V高压被传导到环控传感器上，使传感器引脚之间的二极管被击穿，导致传感器失效。

3 机理分析

3.1 故障树

经过分析，得到连接器的故障树，如图4所示。

3.2 失效机理分析

造成该电源盒连接器烧毁的原因可能有：电源内部短路，导致电源座烧毁；电源座内有异物，导致电源座电极之间短路烧毁；电源座内针与座结合处的缺陷在长期振动环境下不断扩大并最终打火，使电源座的绝缘层碳化，导致电极之间短路烧毁；电源座进水，导致电极间短路烧毁。

1）电源内部短路分析

电源内部电路由保护开关、36V整流模块、12V整流模块及5V整流模块组成，如图5所示。在每个整流模块的输入端均有一个保护开关（容量为3.15A），当内部各整流模块或者其下一级电路发生短路时，如果电流超过3.15A，保护开关会自动断开进行保护，而电源插针可承受的额定工作电流高达8A，因此电源内部模块即使存在短路也不会导致电源插座烧毁。

检查故障电源模块发现模块完好，因此排除其内部短路导致插座烧毁的可能性。

2）导电异物短路分析

产品如有导电异物进入，大多是生产过程中留下的金属丝或者焊锡渣，造

成短路后异物将很快被打火熔断，不会造成类似的严重灼烧痕迹，且之前未拆卸过该电源，因此排除导电异物造成短路的可能性。

3）插针与插孔接触不良短路分析

插针与插孔配合不可靠，在振动时如果有虚接触，极易发生270V打火的情况。但根据现场拆卸情况，插座、电源均固定牢靠，因此排除接触不良造成故障的可能性。

4）连接器进水短路分析

从故障现象分析以及烧灼现场判断，烧毁一面处于电源模块插座A端口的底部，其盖面处于槽的底部，若有水进入，该部位极易成为短路面。因此，对此原因进行详细分析。

4 连接器进水分析

4.1 进水机理及试验分析

连接器进水有两种可能：水滴进入、大量水蒸气凝结。针对这类故障进行渗水试验、温度试验、拷机试验三项试验。

1）渗水试验

试验目的：验证冷凝水是否会通过线缆束间隙渗入腔体内部；

试验方法：取同型号的电源盒，取出连接器A端口输入线缆垂直方向的密封西卡胶，线缆束之间有少许缝隙；在此处滴少许冷凝水，用摇表分别测试A端口的270V（+）端子、270V（-）端子与机壳之间的绝缘电阻值；

试验结果：测试结果为0MΩ。拔掉上面的电源盒插座后，发现下面电源插座的A端口内侧底部已溢入了少量水；

试验结论：冷凝水会沿线缆渗入腔体。

2）温度试验

试验目的：验证在腔体内没有冷凝水的情况下温度变化是否会导致电源插座短路；

试验方法：温度范围为-55℃～70℃，从-55℃开始升温，每10℃为一个温度台阶，每个温度台阶保持1h；在1h内分别测试电源A端口270V（+）端子、270V（-）端子与机壳之间的绝缘电阻值；

试验结果：低温阶段，绝缘阻值很大且随温度变化很小；在温度由常温向高温的变化过程中，绝缘电阻值随着温度升高而变小，但最小值为264MΩ（见图6），均满足绝缘要求；

试验结论：在腔体内没有冷凝水的情况下，温度变化不会导致电源插座短路的发生。

3）拷机试验

试验目的：在测试设备上进一步试验，以验证在腔体内没有冷凝水时温度变化是否会导致电源插座短路；

试验方法：在无空调的环境下，室内空气干燥，测试设备连续加电8h，其间没有波束扫描，不辐射高功率；

试验结果：电源工作正常，未出现类似故障；

试验结论：从反面说明是冷凝水进入腔体导致故障发生。

综合上述三项试验结果可以确认，水进入腔体是导致故障发生的原因。

4.2 水进入路径分析

连接器部位进水可能有雨水和冷凝水或水汽两个来源，冷凝水量多时进入方式类似于雨水。

1）雨水

雨水进入连接器导致打火损坏的故障曾发生在其他装备中，故障现象和本次烧毁的故障现象基本相同。经分析认为故障是由雨水造成，雨水经电源盒连接器的定位孔进入连接器导致短路。采取的处理方法是用西卡胶灌封定位孔，防止潮气及冷凝水从定位孔渗入。

2）冷凝水

冷凝水进入通道的方式包含：连接器自身生成冷凝水进入；装备内部生成的冷凝水聚集，由雨水通道进入。为了查明冷凝水的来源，需要进行湿热试验和故障件解剖分析。

a.湿热试验

试验目的：验证连接器的腔体呼吸效应是否会导致潮气渗入而形成冷凝水。

试验方法：试验阶段包含升温段（常温～60℃，95%RH，升温时间2h）、高温高湿段（60℃，95%RH，保持时间6h）、降温段（60℃～30℃，95%RH，降温时间8h）和常温高湿段（30℃，95%RH，保持时间8h）。4个阶段以24h为一个循环（见图7），每个阶段分别测试插座A端口270V（+）端子、270V（-）端子与机壳之间的绝缘电阻值。共进行10个循环的试验。

试验结果：在各阶段的腔体内均未发现冷凝水，测试最小绝缘电阻值为267MΩ。

试验结论：腔体的呼吸效应不会导致潮气渗入而产生冷凝水。

b.故障件解剖分析

线缆上附有黑色油烟状物质说明打火生成的烟雾能进入胶封下的线缆，即线缆与密封胶之间是有间隙的，因此冷凝水可经线缆与密封胶之间的缝隙沿线缆流入连接器。综合故障件的解剖分析和渗水试验确认，水沿线缆束进入连接器导致短路，产生打火，连接器失效，导致该电源失效。

4.3 水的来源机理分析

通过湿热试验可以排除连接器内产生冷凝水进而导致打火失效的故障原因，但从故障件分解情况分析，不排除外部水分进入的可能，包括雨水和冷凝水。

1）雨水进入分析

该装备在发生故障前其所在地区出现过强降雨，打开上盖板也发现装备内部有雨水。雨水进入后会渗入扭力盒腔体进而渗入电源盒连接器，导致连接器插针短路打火。

2）冷凝水的生成和进入分析

雷达环控系统工作在返回模式时，热气活门全部打开，冷气活门开度较小（一般在30°左右），此时混合腔空气温度可以保持在30℃以上，从而为设备保温除去冷凝水。混合后的热空气经前进风口进入，经过流量分配后进入电源盒，实现对电源模块的控温保温，但电源盒所处的空间无法受到热空气的正面吹拂。当环境温度交变时，潮气会在扭力盒上盖板表面形成少量冷凝水，由于该电源在安装时有3°倾角，冷凝水会沿盖板表面向前流动，当冷凝水流到封胶表面时，会沿线缆方向渗入到腔体内部。如通风不及时，将加剧此类危害。

5 故障机理分析

综上分析结果，得出如图8所示的故障机理：

1）ECU插件及传感器故障是由电源盒连接器短路引起；

2）短路造成连接器各插针之间局部有电流通过，长时间局部电流引起温升，温升加大电流，进而烧毁连接器；

3）水汽造成连接器各插针之间短路；而无空调车加剧了短路部位温度升高的危害；

4）线缆走向不合理，形成了间隙，为水和凝露进入连接器提供了通道；

5）没有空调车吹风，水汽和凝露无法被带走，加速了水汽和凝露的渗入。

雨水或冷凝水积聚到一定量后，沿着电源盒连接器的导线方向渗入插座；长时间工作后导致插针短路、烧毁插座，导致270V高壓窜入分系统的温度传感器、ECU分机等，造成温度传感器、ECU等故障；同时T/R组件、波控单元等分系统因无电源，无法正常工作；雷达系统则丧失发现、跟踪目标的能力。

6 预防措施

为了杜绝隐患，保证大修的质量，对于该电源的修理加入以下流程：

1）对大修的雷达，打开装备两侧12块底盖板，抽出A、B面各12块电源，检查各连接器插头和插座外观及插针（孔）的通断，并测试其对地电阻，对于不符合要求的组件立即进行修理测试，更换有隐患的连接器；

2）清除24个电源盒连接器上的所有封胶，对电缆引出部分进行2次90°弯折后，重新灌胶；保证电缆过孔处，消除水沿电缆芯线流入灌封胶的可能性；

3）对于24个电源，在连接器270V（+）芯上，安装O型绝缘密封垫圈，插头与插座接插到位，密封圈将插针间隔离，避免“连接面”处因有水或水汽造成插针间的短路。

参考文献

[1] 严利华，姬宪法. 机载雷达原理与系统[M].北京：航空工业出版社，2010.

[2] 张伟. 机载雷达装备[M].北京：航空工业出版社，2010.