机载设备过流导致保险丝烧毁案例分析

曹洪彬，刘红波，刘斌全，王子楠，王道震

（天津七一二通信广播有限公司，天津 300462）

引言

外场反映某机载某系统[1]在试飞过程中出现上报射频功放模块故障的现象。经排查发现，出现故障的某系统的电源单元内适配射频功放模块+28 V 供电的保险丝已被烧毁，且出现故障前射频功放模块始终处于正常工作状态，保险丝型号： WRK-Ⅱ-250V-3N，经理论计算保险丝选型不合理，不满足此负载应用场景，改选用型号： WRK-Ⅱ-250V-6N 的保险丝[2]，经试验验证，无此故障发生，系统工作正常。

由于非国产化与国产化射频功放模块负载特性不同，开机启动瞬间冲击电流持续时间不一致[3]，导致非国产化下的保险丝选型，不满足国产化射频功放模块使用要求。传统设计中保险丝选型并未考虑负载特性，本文旨在考虑不同负载特性下，提出了一种保险丝的选型方法，该方法更全面地指导了保险丝选型。

1 方法介绍

1.1 负载特性测试环境搭建

为客观找准适配射频功放模块保险丝烧毁的原因，对非国产化及国产化射频功放模块的负载特性进行了详细测试，测试框图如图1 所示。

图1 开机冲击电流测试框图

该测试方法为系统供电电源常开，系统供电电源与被测设备之间增加辅助配电开关，通过辅助配电开关控制被测设备的上电控制，电流探头夹在辅助控制开关的输出与被测设备之间，模拟机上突然上电的真实状态，用示波器读取辅助配电开关闭合时的被测设备的上电冲击电流。

1.2 射频功放模块负载特性测试结果

通过上述搭建的测试环境，分别完成非国产化件射频功放模块、国产化件射频功放模块的负载特性测试，测试结果见1.2.1 与1.2.2。

1.2.1 非国产化件射频功放模块负载特性实测情况

非国产化件射频功放模块负载特性实测冲击电流峰值电流为74.4A，持续时间为200us 左右，波形为尖峰三角波。

1.2.2 国产件射频功放模块负载特性实测情况

国产件射频功放模块负载特性实测波形如图2所示。

图2 国产件上电冲击电流波形

从图2 可以看出，国产件射频功放模块开机冲击电流峰值电流为74.4 A，持续时间为2 ms 左右,波形为尖峰三角波。

1.3 原保险丝抗冲击电流机理分析

原保险丝型号为WRK-Ⅱ-250V-3N，其额定电流为3 A，额定电压为250 V，结合上述非国产化件射频功放模块、国产件射频功放模块的上电脉冲测试结果，考虑模块工作环境温度影响，脉冲能量，脉冲循环承受能力，分别计算非国产化件射频功放模块、国产化射频功放模块所需要熔断器的能量值（I2t）。

1）考虑工作温度影响

熔断器[4]是温度敏感元件，当熔断器工作温度高于25 ℃时必须考虑温度的影响，应参照熔断器温度折减曲线降级使用如图3。等效电流计算方法参见公式（1）。

图3 WRK-Ⅱ-250V 系列保险丝温度折减曲线

根据系统最高工作温度达到95 ℃，根据温度折减曲线可知95 ℃时温度折减系数K 取值为82.5 %。

2）考虑脉冲能量波形

根据熔断器厂家手册推荐，计算脉冲能量值时，需要根据所测出的脉冲波形对照下图中对应近似的波形计算出脉冲的能量值（I2t）。

根据非国产化件射频功放模块、国产化件射频功放模块的负载特性测试结果，测试的尖峰脉冲波形近似为图4，对应能量值计算公式见公式（2）。

图4 尖峰脉冲波形能量值计算公式

3）考虑脉冲循环承受能力

根据熔断器厂家产品手册，熔断器的需求能量值还需考虑循环脉冲次数需求，其中保险丝能够承受的循环脉冲次数与脉冲循环承受能力U之间的对应关系见表1。

表1 脉冲承受能力与次数

利用脉冲循环承受能力和电路中脉冲值（I2t）可计算所需熔断器的能量值，计算方法见公式（3）：

根据系统工作要求，本文熔断器选型要求能够承受10 万次脉冲，即对应的脉冲循环承受能力U 取值为22 %。

1.3.1 非国产化样机状态分析

根据非国产化件所测量出的脉冲波形形状，可计算出脉冲的能量值（I2t）：

测试显示瞬态电流I瞬1为74.4 A，脉冲持续时间T瞬1为200 us，结合公式（1）、公式（2）可计算上电时产生的脉冲能量值：

考虑熔断器需要承受脉冲次数为10 万次，结合公式（3），则所需的熔断器的能量值:

因此适配非国产化件射频功放模块的熔断器选型需满足大于Q需1=1.478A2s。

保险丝的电流-时间特性曲线图，如图5 所示。

图5 电流-时间特性曲线图

从图5 电流-时间特性曲线可以看出，保险丝WRK-Ⅱ-250V-3N 在74.4A 脉冲电流时能承受的最大能量值为Q3N= I2t=74.4×74.4×0.001 A2s=5.53 A2s，该能量值满足Q3N≥Q需1，说明WRK-Ⅱ-250V-3N 保险丝选型满足非国产化件射频功放模块负载特性的设计要求。

1.3.2 国产化样机状态分析

根据国产件所测量出的脉冲波形形状，计算出脉冲的能量值（I2t）。

根据测试结果，瞬态电流I瞬2为74.4 A，脉冲持续时间T瞬2为2 ms，此脉冲是在负载上电瞬间产生，上电时产生的脉冲能量值Q2=I2t=1/5×（I瞬2/K）2×T瞬Q2=1/5×（74.4/82.5 %）2×2/1 000 s ≈3.25 A2s，考虑熔断器需要承受脉冲次数，则所需的熔断器的能量值:

因此适配国产件射频功放模块的熔断器选型需满足如下要求：

实际情况： Q需2（100次）≥Q3N,说明匹配射频功放模块的WRK-Ⅱ-250V-3N 保险丝只能承受射频功放模块小于100 次的上电脉冲，选型无法满足国产件射频功放模块负载特性的设计要求，在一定次数后会造成WRK-Ⅱ-250V-3N 保险丝烧毁。

1.4 机理分析总结

本次保险丝的烧毁主要原因在于射频功放模块国产化后负载需求增加，导致国产化后射频功放模块的开机冲击电流超出了原保险丝的最大耐受能量值，出现烧毁。

2 替代保险丝与原保险丝对比分析

2.1 瞬态能量分析

基于上述原因分析及测试结果对保险丝重新选型。同封装大小保险丝型号有WRK-II-250V-4N、WRK-II-250V-6N、WRK-II-250V-10N，根据图5 电流-时间特性曲线，分别计算在74.4A 脉冲电流时各保险丝可承受的最大能量值。

保险丝WRK-Ⅱ-250V-4N 在74.4 A 脉冲电流时能承受的最大能量值为：

保险丝WRK-Ⅱ-250V-6N 在74.4 A 脉冲电流时能承受的最大能量值为：

保险丝WRK-Ⅱ-250V-10N 在74.4 A 脉冲电流时各保险丝可承受的最大能量值为：

经上述理论计算WRK-Ⅱ-250V-4N 的保险丝Q4N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能满足国产化与非国产化负载特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-6N 的保险丝Q6N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能满足国产化与非国产化负载特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-10N 的保险丝Q10N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s 同时能满足国产化非国产化负载特性要求，但考虑负载特性因素，WRK-Ⅱ-250V-4N、WRK-Ⅱ-250V-6N 的保险丝即可满足使用，WRK-Ⅱ-250V-10N的保险丝过余量设计，存在起不到过流保护作用的风险。

2.2 稳态电流分析

考虑稳态电流降额情况，实测本负载稳态电流为2.05 A，根据国军标GJB/Z 35-1993 元器件降额准则[5]，保险丝降额系数为0.45~0.5，保险丝选型应大于2.05/0.5= 4.1 A，由此可知WRK-Ⅱ-250V-4N 保险丝不满足使用要求。因此本设计中采用WRK-Ⅱ-250V-6N的保险丝进行原位替换。

3 验证情况

更换WRK-Ⅱ-250V-6N 保险丝后，对返厂设备进行全面性能检测及高、低温、温冲测试，功能、性能正常，指标符合协议书要求，采取的措施有效可行，故障消除。

4 结束语

本文针对机载设备过流导致保险丝烧毁问题，实测负载启动冲击电流波形，提出了一种保险丝选型方法。通过替代的保险丝与原保险丝在瞬态和稳态两方面进行对比分析，论证了替代保险丝的有效性。此方法弥补了电路设计中的缺陷，已实际应用在我单位电源系统设计中，同时可作为后续机载设备保险丝的选型依据，提高整机的可靠性及安全性。