机载电源切换对ARINC825总线接口芯片的损伤研究

李 瑶， 陈竞强， 白文霞， 许诺琪

(航空工业西安航空制动科技有限公司，陕西 西安 710075)

CAN(Controller Area Network)总线是目前国际上应用最为广泛的现场总线之一，最初仅作为汽车环境中的通信应用于车载电子控制装置交换信息[1]。随着CAN总线技术日趋成熟，CAN总线被逐步应用在航空器中。在CAN总线的航空应用中，CAN Aerospace协议与ARINC825协议最具有代表性，其中ARINC825协议是CAN总线在提高了通信协调度、完整性协议、冗余设计等技术环节后形成的，广泛应用在机载航空电子系统的控制及数据传输中[2-4]。因此，总线技术对机载系统数据通信、设备运行控制和监视，乃至航空器运行和安全至关重要，是保障机载系统内部数据信息稳定可靠传输的桥梁[5-6]。

随着系统级芯片(System on Chip,SoC)架构在机载集成电路的逐渐使用，将片上数据总线融入机载芯片设计也变得越发常见[7]，包括现役机载设备使用的ARINC825总线接口芯片。

在航空现代化飞速发展的今天，机载设备电气化程度越来越高，机载各电气设备对供电系统的依赖也越来越强，电源系统需要满足不同工况的供电需求，不同的使用工况对应不同的电源供电组合，因此机载电源会根据飞机使用实际工况通过电源切换装置进行电源切换。

近年来，我国某型飞机在长期使用过程中出现搭载的ARINC825总线接口芯片频发损伤故障导致CAN通信失效，造成了大量的经济损失。文献[8]提出了总线有可能因输入端电源不稳定或总线浪涌脉冲造成损坏，所提出的损伤故障的根本原因未进行明确定位和试验验证，不具备绝对的借鉴意义。而笔者综合分析了ARINC825总线外场使用期间发生的多起总线接口芯片损伤故障的数据和记录参数，确定了ARINC825总线接口芯片损伤故障与机载电源切换过程高度相关。因此，有必要对ARINC825总线接口芯片损伤故障提出合理可行的改进措施，以解决供电异常导致的芯片损伤，保障机载设备的安全使用。

文献[8]提出了可采用隔离方法防护避免总线接口损坏的措施，但提出的隔离防护设计未能从根本上完全解决外场中的实际问题，故障点未得到消除，仍存在隐患；文献[9]提出ARINC825总线收发接口各自通过限流电阻与ARINC825总线相连，保护收发接口免受过流的冲击，同时提出在两根ARINC825总线输入端与地之间分别接一个防雷击管，可在瞬变干扰时起到一定的保护作用，但电阻限流无法从根本上解决ARINC825收发接口受过流冲击造成的故障，且增加防雷击管也只是暂时提供了一个“泄放点”，一旦达到防雷击管的使用上限，ARINC825总线仍会因瞬变干扰导致损伤。

本文以解决总线接口芯片损伤故障为目标，以故障分析和试验验证为主要方法，结合电源切换的影响分析，提出一种以总线接口芯片运行状态为研究对象，以总线接口芯片的DC-DC电源模块特性为研究重点，以消除DC-DC电源模块输出的电压尖峰为改进方向的故障分析和解决方法，并通过试验验证及对比分析证明了该方法可以解决CAN总线接口芯片损伤故障，保障CAN总线通信正常和飞机使用的安全性、可靠性。

1 故障概述

近年来，我国某型飞机出现多起CAN总线通信故障，更换配电控制装置后，故障未消除，更换ARINC825总线接口芯片后故障消除。因此，故障定位为ARINC825总线接口芯片损伤。对多起损伤的ARINC825总线接口芯片进行失效分析后，发现接口芯片表面失效形貌均表现为大能量大电流造成的内部结构烧毁。对故障发生起源进行追溯后，发现该类故障均发生在地面检查维护期间，且通常发生在机载电源切换后。结合ARINC825总线接口芯片损伤失效分析结果，可以明确ARINC825总线接口芯片频发损伤故障是由于DC-DC电源模块供电异常导致，且该过程与机载电源切换过程相关。ARINC825总线接口芯片烧毁形貌如图1所示。

图1 ARINC825总线接口芯片烧毁形貌

2 故障机理分析

机载电源系统由一次电源、应急电源、二次电源及外界电源插座等组成，应用最广泛的一次电源为28 V低压直流电源，一次电源将发动机输出的电源变换成机载的28 V主供电电源[10]。通常，在正常工作时由主电源供电；在发动机启动、故障等特殊情况下，则由外部电源供电。因此在外部电源和主电源转换时，机械接触器进行电路连接转换瞬间会出现短暂的接触不稳定过程，在该过程中出现短暂的电容充电浪涌电流，具体以“负脉冲”的形式体现。“负脉冲”形态如图2所示。

图2 “负脉冲”形态

ARINC825总线提供包括链路端口、总线收发器、总线控制器、CPU和电源模块等在内的桥接通道。为了防止电磁环境对电源模块造成损伤，采用了物理隔离，在控制器与收发器之间增加隔离器件，使相互间通过ARINC825总线光耦连接，同时为保证隔离器两端信号的隔离效果，隔离器两端的器件采取电气隔离，通常选用DC-DC变换器实现电源隔离[11-13]。ARINC825总线电路电源供电示意图如图3所示。

图3 总线电路电源供电示意图

在ARINC825总线应用中，通过光电耦合器进行CAN控制器和CAN收发器隔离时，系统需要独立的DC-DC电源变换。DC-DC电源模块可保证系统运行电源与接口电路电源完全隔离，确保CAN总线工作的独立性。电源模块分为2个独立供电的DC-DC电源模块，其中DC-DC主电源模块为控制器和CPU提供3.3 V和1.9 V供电，DC-DC隔离电源模块为总线收发器提供5 V供电。

当ARINC825总线接口供电的DC-DC隔离电源模块输入电压为11～12.7 V时，DC-DC隔离电源模块处于工作临界状态，一旦DC-DC隔离电源模块长时间处于敏感电压区，则会产生电压尖峰过冲，这是电源模块产品拓扑和所用PWM控制器决定的固有特性。若机载电源“负脉冲”的电压深度和DC-DC隔离电源模块临界电压点一旦吻合，同时“负脉冲”时间宽度稍长，DC-DC隔离电源模块必然会输出1个较高的过冲脉冲，即电压尖峰过冲。电压高脉冲的异常现象持续一段时间后，导致总线接口芯片结构烧毁，造成ARINC825总线短路失效。

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DC-DC电源模块的过冲脉冲测试结果如图4所示。

图4 脉冲实测图

如图4所示，经实测，总线接口电路DC-DC隔离电源模块的过冲脉冲最高可达18 V，宽度约20 ms，远高于CAN收发器供电端的耐受电压(5.25 V)。

实际使用中，受供电设备自身特性、用电设备电容状态和接触器触点接触情况等因素影响，机载电源“负脉冲”的电压深度、脉宽数据分布较为随机。当上电过程中的“负脉冲”不在敏感电压区间(11～12.7 V)范围内时，则不会发生ARINC825总线接口芯片损伤的故障。只有“负脉冲”在DC-DC隔离电源模块的敏感电压区间(11～12.7 V)时，才会频发ARINC825总线接口芯片损伤的故障。因此机载电源“负脉冲”为造成ARINC825总线接口芯片损伤故障的诱因，ARINC825总线接口电路DC-DC隔离电源模块输出电压尖峰过冲是造成ARINC825总线接口芯片损伤故障的直接原因。

3 试验验证

根据机理分析结论，从ARINC825总线接口芯片耐电压测试和负脉冲模拟测试2个方面进行测试，以验证故障分析诊断结果的正确性。

3.1 芯片耐电压测试

将ARINC825总线接口芯片按工作状态连接，向其电源管脚注入电压，电压从额定电压5 V开始，缓慢上升，直至芯片无法工作。芯片耐电压测试原理如图5所示。

图5 耐电压测试原理图

随机抽取3个芯片依次进行测试，芯片测试结果如表1所示。

表1 失效电压统计

由表1可知，当输入电压为11～14 V时，芯片损坏。证明了DC-DC隔离电源模块存在上电敏感电压区间。

3.2 “负脉冲”模拟测试

采用程控电源向ARINC825总线供电，模拟实际工况的10～13 V“负脉冲”。电源模拟原理示意图如图6所示。

图6 电源模拟原理示意图

通过反复试验，当输入电压出现11～12.7 V的短暂停留(约50 ms)时，向ARINC825总线接口芯片提供工作电压的DC-DC隔离电源模块输出端，本应输出5 V电压，却出现1个宽度为20～30 ms的脉冲，脉冲可达18 V。该脉冲同时出现在ARINC825总线接口芯片的电压输入端，随后ARINC825总线停止工作，ARINC825总线接口芯片失效，测试结果如图7～图9所示。

图7 模拟输入

图8 输出脉冲

图9 输出脉冲(局部放大)

向ARINC825总线DC-DC隔离电源模块模拟输入10～13 V电压时，其特征如图7所示；DC-DC隔离电源模块在收到供电 “负脉冲”时，输出一个过冲脉冲，其特征如图8所示；DC-DC隔离电源模块过冲脉冲局部特征如图9所示。

根据模拟测试的试验验证可以明确，ARINC825总线接口芯片的DC-DC隔离电源模块受机载电源“负脉冲”(10～13 V)的影响，向ARINC825总线接口芯片的供电端输出了幅度较高的电压脉冲(最高可达18 V)，该脉冲远高于ARINC825总线接口芯片供电端的耐受电压(5.25 V)，致使ARINC825总线接口芯片损坏，无法进行CAN通信。

4 改进措施分析及试验验证

4.1 改进措施分析

依据机理分析和试验验证结果，可知ARINC825总线接口芯片频发损伤是由机载电源在转换过程中的“负脉冲”和ARINC825总线接口芯片DC-DC隔离电源模块的不稳定工作点共同导致的。因此，为避免ARINC825总线接口芯片损伤故障频发，有消除机载电源在转换过程中的“负脉冲”和DC-DC隔离电源模块电压尖峰过冲2个解决途径。但消除机载电源在转换过程中的“负脉冲”所需改装巨大，代价高昂，而消除DC-DC隔离电源模块输出的电压尖峰过冲，改装少，易于实现。这是由于当机载电源输入10～13 V电压区间时，DC-DC隔离电源模块的输入即为其极限工作电压11～12.7 V区间。输入电压在10～13 V的电压区间内长时间维持或振荡时，DC-DC隔离电源模块会输出的高达18 V的电压尖峰过冲，其脉冲电压远远超出ARINC825总线接口芯片的供电电压额定值5 V和芯片耐受电压5.25 V，致使ARINC825总线接口芯片损坏，这是由DC-DC隔离电源模块产品拓扑和所用PWM控制器的固有特性决定的。

DC-DC隔离电源模块采用单端反激式拓扑结构，是最简单且不需要磁芯复位电路的隔离变换器结构，在输入电压范围宽的条件下，其占空比变化幅度最小[13]。所使用的PWM控制器需要外部供电或者靠自身内部偏置电路供电工作，一般采用稳压电路供电[14]。输入电压经过滤波后通过供电电路使PWM控制器工作，PWM控制器根据隔离反馈信号调整输出的脉冲宽度来控制开关管的通断，输入电压被开关管斩波成具有固定频率的矩形波电压，随后经变压器传递后再经整流管整流滤波达到稳定的直流输出。

因此，为了消除DC-DC隔离电源模块输出的电压尖峰过冲，就需要对DC-DC隔离电源模块使用的PWM控制器进行调整。

4.2 PWM控制器供电线路改进

为了消除DC-DC隔离电源模块输出的电压尖峰过冲，将DC-DC隔离电源模块供电线路更改为稳压二极管串联稳压供电线路，使输入电压变化时，输出电压保持稳定，即保证PWM控制器的供电电压的建立线性上升过程中其供电电压不会出现震荡。

改进前后供电线路如图10所示，其中改进前DC-DC隔离电源模块供电线路采用基准源稳压供电线路，其线路图如图10(a)所示；改进后DC-DC隔离电源模块供电线路采用稳压二极管串联稳压供电线路，其线路图如图10(b)所示。

图10 PWM控制器改进前后供电线路图

PWM控制器的供电电压建立图如图11所示，其中DC-DC隔离电源模块改进前的供电电压建立图如图11(a)所示，缓慢加电过程中，供电电压明显出现震荡；DC-DC隔离电源模块改进后的供电电压建立图如图11(b)所示，缓慢加电过程中，供电电压较为稳定。

4.3 PWM控制器改进

将原启动电压为8.5 V的PWM控制器更换为启动电压为5 V的PWM控制器，能够在外部输入电压未到达可能发生振荡的11～12.7 V区间时，使DC-DC隔离电源模块完成启动，使输出电压稳定建立，且输出电压不会出现过冲。供电电压上升特征如图11(b)所示。

改进前DC-DC隔离电源模块采用的是UC184X系列PWM控制器，启动电压为8.5 V。改进后DC-DC隔离电源模块采用启动电压更低的UC180X系列PWM控制器，启动电压为5 V。

图11 供电电压建立图(缓慢加电)

4.4 反馈环路改进

改进后的DC-DC隔离电源模块反馈环路设计取消PWM控制器内部误差放大器补偿，反馈环路建立闭环时间较快，PWM控制器反馈接收端电压上升到基准电压时很快就被限制，并很快被拉低，因此当PWM控制器输出脉冲时，输出电压不会出现过冲。

DC-DC隔离电源模块改进前后反馈环路如图12所示，改进前反馈环路如图12(a)所示；改进后反馈环路如图12(b)所示。

图12 改进前后反馈环路图

改进前后反馈电压与反馈建立图如图13所示，其中改进前DC-DC隔离电源模块反馈环路设计使用PWM控制器内部误差放大器补偿，缓慢加电过程中反馈电压与反馈建立的特征如图13(a)所示；改进后DC-DC隔离电源模块反馈环路设计未使用PWM控制器内部误差放大器补偿，取消反馈环路可以避免模块存在“开环”工作状态，缓慢加电过程中反馈电压与反馈建立的特征如图13(b)所示。

图13 改进前后反馈电压与反馈建立图(缓慢加电)

通过改进PWM控制器供电线路、调整PWM控制器及取消反馈环路的内部误差放大器补偿，消除了DC-DC隔离电源模块输出的电压尖峰过冲，使得供电电压建立过程中不出现震荡，保证了后级负载电路的正常运行。

4.5 改进措施验证及结果分析

通过进行改进前后DC-DC隔离电源模块敏感段电压测试和4～27 V全部欠压段测试，验证改进后的DC-DC隔离电源模块在敏感电压区间和极端条件下，不会出现电压过冲现象。

DC-DC隔离电源模块敏感电压测试试验结果如图14和图15所示。改进后DC-DC隔离电源模块在输入电压为11～12.7 V的敏感电压段内无过冲，其特征如图14所示；改进后DC-DC隔离电源模块在输入电压为极限低值4 V时的特征如图15所示，虽然已无法达到额定输出，但上电过程中不会造成输出电压过冲，可验证其工作模式的安全性。

通过试验结果可以明确改进后DC-DC隔离电源模块在输入电压为11～12.7 V的敏感电压段内无过冲。在输入电压为极限低值4 V时，虽然已无法达到额定输出，但上电过程中不会输出电压过冲的现象，可验证其工作模式的安全性。因此，改进后的DC-DC隔离电源模块在机载电源“负脉冲”的影响下，不会使输出电压过冲，损伤后级负载电路，导致ARINC825总线接口芯片损伤。

图14 DC-DC隔离电源模块改进前与改进后上电对比(敏感电压段)

图15 DC-DC隔离电源模块改进前与改进后上电对比(极低电压(4 V))

5 结束语

针对某型飞机使用维护过程中偶发电源切换导致ARINC825总线接口芯片失效的故障进行了深入的机理分析和研究。通过芯片失效分析、故障机理分析和试验验证，定位了该故障的根本原因。在充分权衡机载设备特点、装备特性和故障本质后，制定了切实可行的改进措施。经地面测试和空中验证，证明该改进措施合理有效，从根本上解决了长期困扰该装备的使用维护困局，同时对同类装备的开发研制具有较强的指导意义。