任務(wù)計(jì)算機(jī)上電啟動(dòng)異常故障的分析與解決

曹興岡

（中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

上電啟動(dòng)是任務(wù)計(jì)算機(jī)電源模塊的重要性能之一，在系統(tǒng)測(cè)試和應(yīng)用時(shí)，存在一些問(wèn)題，嚴(yán)重影響了任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能正常運(yùn)行。解決電源模塊上電啟動(dòng)異常問(wèn)題[1]，對(duì)于任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有重要意義。

1 故障現(xiàn)象

任務(wù)計(jì)算機(jī)中電源模塊上電啟動(dòng)，進(jìn)行加電測(cè)試，上電一次出現(xiàn)二極管V4開(kāi)路故障，導(dǎo)致任務(wù)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)異常。

2 故障分析

任務(wù)計(jì)算機(jī)中電源是將機(jī)上一次電源通過(guò)兩級(jí)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需的5 V、±15 V。圖1為電源供電原理框圖。

電源上電啟動(dòng)原理電路如圖2所示，電阻器R1、R2、穩(wěn)壓管VE1及場(chǎng)效應(yīng)管V3等器件構(gòu)成線性降壓電路，將輸入28 V降至15V啟動(dòng)電壓（VSTART），為PWM驅(qū)動(dòng)芯片（N3）供電。二極管V2、V4構(gòu)成或門(mén)電路，正常供電條件下，28 V輸入通過(guò)V2為啟動(dòng)電路供電；輸入28 V瞬態(tài)斷電時(shí)，儲(chǔ)能電容C10、C25通過(guò)V4為啟動(dòng)電路供電，維持50ms欠壓工作。

圖1 電源供電原理框圖

2.2 測(cè)量分析

通過(guò)示波器測(cè)量V2輸入端即28 V輸入端電壓，在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了時(shí)長(zhǎng)約90 ms的震蕩，幅值約為60 V，如圖3所示。1、2通道分別為V2的正負(fù)波形；2、3通道分別為V4的正負(fù)波形。

將電源模塊單獨(dú)隔離進(jìn)行測(cè)試，上電后28 V波形正常，所以問(wèn)題分析應(yīng)出現(xiàn)在任務(wù)計(jì)算機(jī)與內(nèi)部電源的系統(tǒng)工作存在異常，如圖4所示。

圖3 測(cè)量波形圖

圖2 電源上電啟動(dòng)電路原理圖

圖4 電源模塊獨(dú)立測(cè)試波形圖

根據(jù)該電源模塊電路原理，輸入保護(hù)電路的輸出為DC/DC變換器提供電壓、電流。輸入保護(hù)電路的參數(shù)，決定了電源模塊的啟動(dòng)時(shí)間、DC/DC變換器輸出臺(tái)階寬度及電壓爬升斜率。啟動(dòng)建立時(shí)間越短，臺(tái)階寬度越窄；啟動(dòng)建立時(shí)間越長(zhǎng)，臺(tái)階寬度越寬。

2.2.1 輸入保護(hù)電路分析

電源模塊的啟動(dòng)時(shí)間由輸入保護(hù)電路中參數(shù)控制。輸入保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了過(guò)壓浪涌抑制功能，電路由場(chǎng)效應(yīng)管及驅(qū)動(dòng)電路組成。該電路利用場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性，同時(shí)對(duì)電源模塊的啟動(dòng)時(shí)間特性實(shí)現(xiàn)了控制。

該電路通過(guò)對(duì)MOSFET進(jìn)行鉗位驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了浪涌保護(hù)功能；同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)RC充電延時(shí)控制MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了電路的軟啟動(dòng)。

2.2.2 啟動(dòng)工作分析

由MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性可以看出，MOSFET的Vgs電壓決定了漏極電流。電源模塊輸入保護(hù)電路中的RC緩沖電路控制著MOSFET的Vgs電壓，Vgs電壓控制著MOSFET的輸出電流。RC緩沖電路由12.4K電阻和10μF電容組成，充電電壓按照波形（見(jiàn)圖5）進(jìn)行充電；電源模塊中MOSFET的輸出特性Vgs-ID如圖6所示。

由圖6可以看出，在電源模塊的啟動(dòng)過(guò)程中，MOSFET完全導(dǎo)通需要約200 ms，在此期間，MOSFET工作在非飽和區(qū)，呈現(xiàn)可變電阻特性，場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流被驅(qū)動(dòng)限制，不能為DC/DC變換器正常工作提供足夠的電流和功率，致使電源模塊輸出出現(xiàn)了臺(tái)階或電壓爬升緩慢的現(xiàn)象。同時(shí)，在啟動(dòng)過(guò)程中，電源模塊前端（濾波器輸入）電壓也出現(xiàn)了時(shí)長(zhǎng)約90 ms的抖動(dòng)，屬于非正常的暫態(tài)現(xiàn)象。

DC/DC變換器與后級(jí)負(fù)載工作在恒功率狀態(tài)，呈現(xiàn)輸入負(fù)阻抗特性[2]，且電壓大于15 V才開(kāi)始工作。在啟動(dòng)瞬間，電壓抖動(dòng)由于濾波器中的電感、處于可變電阻特性的MOSFET以及負(fù)阻抗恒功率DC/DC變換器三者共同作用，產(chǎn)生了電壓抖動(dòng)。由于場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流被驅(qū)動(dòng)限制，不能提供足夠電流和功率，DC/DC變換器反復(fù)啟動(dòng)、關(guān)斷[3]，濾波器中的電感在DC/DC變換器關(guān)斷后，電感電壓反向，以保持安匝數(shù)恒定，出現(xiàn)計(jì)算機(jī)電源模塊前端（濾波器輸入）電壓抖動(dòng)。

電路啟動(dòng)過(guò)程中的電壓抖動(dòng)原因較復(fù)雜，可以簡(jiǎn)化成RLC模型、恒功率負(fù)載模型、乒乓開(kāi)關(guān)組合模型。通過(guò)仿真，結(jié)果顯示電源模塊前端（濾波器輸入）電壓出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。

分析更改MOS管驅(qū)動(dòng)RC緩沖電路的時(shí)間常數(shù)τ值=RC，使MOS管在更短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，快速建立場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。

實(shí)際操作通過(guò)更改τ值以解決電源上電抖動(dòng)問(wèn)題。將R17進(jìn)行短接，測(cè)試電源插入任務(wù)計(jì)算機(jī)接入負(fù)載。圖7為輸入電壓及沖擊電流波形圖。

綜合分析得出結(jié)論，因?yàn)镸OS管驅(qū)動(dòng)RC緩沖電路的τ值參數(shù)設(shè)置存在問(wèn)題。

RC充電由τ值決定，τ值小，則驅(qū)動(dòng)電壓建立快，MOSFET的導(dǎo)通就快；τ值大，則驅(qū)動(dòng)電壓建立慢，MOSFET的導(dǎo)通就慢。輸入保護(hù)電路中RC緩沖電路的參數(shù)決定了電路中的τ值，τ值變化導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)電壓變化如圖8所示。

時(shí)間常數(shù)τ越大，電路達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，過(guò)渡過(guò)程也越長(zhǎng)，使MOS管導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能快速地進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流被驅(qū)動(dòng)限制，不能為DC/DC變換器啟動(dòng)工作提供足夠的電流和功率，致使電源模塊輸出出現(xiàn)了臺(tái)階或電壓爬升緩慢的現(xiàn)象。

圖8 τ值-Uc電壓圖

3 處理措施

通過(guò)分析，故障的根本原因是電源啟動(dòng)電路中MOS管驅(qū)動(dòng)RC緩沖電路的時(shí)間參數(shù)τ值設(shè)置不合理，導(dǎo)致了任務(wù)計(jì)算機(jī)上電異常，產(chǎn)品不能正常啟動(dòng)，對(duì)比兩種方法，可得短接R17可以有效地解決啟動(dòng)時(shí)電壓抖動(dòng)，而且沖擊電流更小。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，從理論和工程上消除該故障。

4 結(jié) 論

通過(guò)消除任務(wù)計(jì)算機(jī)電源模塊上電抖動(dòng)問(wèn)題，解決了上電起動(dòng)異常故障，同時(shí)在類(lèi)似產(chǎn)品電路驗(yàn)證充分，使得任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能、性能達(dá)到穩(wěn)定可靠。