機載電源切換對ARINC825總線接口芯片的損傷研究

李 瑤， 陳競強， 白文霞， 許諾琪

(航空工業西安航空制動科技有限公司，陜西 西安 710075)

CAN(Controller Area Network)總線是目前國際上應用最為廣泛的現場總線之一，最初僅作為汽車環境中的通信應用于車載電子控制裝置交換信息[1]。隨著CAN總線技術日趨成熟，CAN總線被逐步應用在航空器中。在CAN總線的航空應用中，CAN Aerospace協議與ARINC825協議最具有代表性，其中ARINC825協議是CAN總線在提高了通信協調度、完整性協議、冗余設計等技術環節后形成的，廣泛應用在機載航空電子系統的控制及數據傳輸中[2-4]。因此，總線技術對機載系統數據通信、設備運行控制和監視，乃至航空器運行和安全至關重要，是保障機載系統內部數據信息穩定可靠傳輸的橋梁[5-6]。

隨著系統級芯片(System on Chip,SoC)架構在機載集成電路的逐漸使用，將片上數據總線融入機載芯片設計也變得越發常見[7]，包括現役機載設備使用的ARINC825總線接口芯片。

在航空現代化飛速發展的今天，機載設備電氣化程度越來越高，機載各電氣設備對供電系統的依賴也越來越強，電源系統需要滿足不同工況的供電需求，不同的使用工況對應不同的電源供電組合，因此機載電源會根據飛機使用實際工況通過電源切換裝置進行電源切換。

近年來，我國某型飛機在長期使用過程中出現搭載的ARINC825總線接口芯片頻發損傷故障導致CAN通信失效，造成了大量的經濟損失。文獻[8]提出了總線有可能因輸入端電源不穩定或總線浪涌脈沖造成損壞，所提出的損傷故障的根本原因未進行明確定位和試驗驗證，不具備絕對的借鑒意義。而筆者綜合分析了ARINC825總線外場使用期間發生的多起總線接口芯片損傷故障的數據和記錄參數，確定了ARINC825總線接口芯片損傷故障與機載電源切換過程高度相關。因此，有必要對ARINC825總線接口芯片損傷故障提出合理可行的改進措施，以解決供電異常導致的芯片損傷，保障機載設備的安全使用。

文獻[8]提出了可采用隔離方法防護避免總線接口損壞的措施，但提出的隔離防護設計未能從根本上完全解決外場中的實際問題，故障點未得到消除，仍存在隱患；文獻[9]提出ARINC825總線收發接口各自通過限流電阻與ARINC825總線相連，保護收發接口免受過流的沖擊，同時提出在兩根ARINC825總線輸入端與地之間分別接一個防雷擊管，可在瞬變干擾時起到一定的保護作用，但電阻限流無法從根本上解決ARINC825收發接口受過流沖擊造成的故障，且增加防雷擊管也只是暫時提供了一個“泄放點”，一旦達到防雷擊管的使用上限，ARINC825總線仍會因瞬變干擾導致損傷。

本文以解決總線接口芯片損傷故障為目標，以故障分析和試驗驗證為主要方法，結合電源切換的影響分析，提出一種以總線接口芯片運行狀態為研究對象，以總線接口芯片的DC-DC電源模塊特性為研究重點，以消除DC-DC電源模塊輸出的電壓尖峰為改進方向的故障分析和解決方法，并通過試驗驗證及對比分析證明了該方法可以解決CAN總線接口芯片損傷故障，保障CAN總線通信正常和飛機使用的安全性、可靠性。

1 故障概述

近年來，我國某型飛機出現多起CAN總線通信故障，更換配電控制裝置后，故障未消除，更換ARINC825總線接口芯片后故障消除。因此，故障定位為ARINC825總線接口芯片損傷。對多起損傷的ARINC825總線接口芯片進行失效分析后，發現接口芯片表面失效形貌均表現為大能量大電流造成的內部結構燒毀。對故障發生起源進行追溯后，發現該類故障均發生在地面檢查維護期間，且通常發生在機載電源切換后。結合ARINC825總線接口芯片損傷失效分析結果，可以明確ARINC825總線接口芯片頻發損傷故障是由于DC-DC電源模塊供電異常導致，且該過程與機載電源切換過程相關。ARINC825總線接口芯片燒毀形貌如圖1所示。

圖1 ARINC825總線接口芯片燒毀形貌

2 故障機理分析

機載電源系統由一次電源、應急電源、二次電源及外界電源插座等組成，應用最廣泛的一次電源為28 V低壓直流電源，一次電源將發動機輸出的電源變換成機載的28 V主供電電源[10]。通常，在正常工作時由主電源供電；在發動機啟動、故障等特殊情況下，則由外部電源供電。因此在外部電源和主電源轉換時，機械接觸器進行電路連接轉換瞬間會出現短暫的接觸不穩定過程，在該過程中出現短暫的電容充電浪涌電流，具體以“負脈沖”的形式體現。“負脈沖”形態如圖2所示。

圖2 “負脈沖”形態

ARINC825總線提供包括鏈路端口、總線收發器、總線控制器、CPU和電源模塊等在內的橋接通道。為了防止電磁環境對電源模塊造成損傷，采用了物理隔離，在控制器與收發器之間增加隔離器件，使相互間通過ARINC825總線光耦連接，同時為保證隔離器兩端信號的隔離效果，隔離器兩端的器件采取電氣隔離，通常選用DC-DC變換器實現電源隔離[11-13]。ARINC825總線電路電源供電示意圖如圖3所示。

圖3 總線電路電源供電示意圖

在ARINC825總線應用中，通過光電耦合器進行CAN控制器和CAN收發器隔離時，系統需要獨立的DC-DC電源變換。DC-DC電源模塊可保證系統運行電源與接口電路電源完全隔離，確保CAN總線工作的獨立性。電源模塊分為2個獨立供電的DC-DC電源模塊，其中DC-DC主電源模塊為控制器和CPU提供3.3 V和1.9 V供電，DC-DC隔離電源模塊為總線收發器提供5 V供電。

當ARINC825總線接口供電的DC-DC隔離電源模塊輸入電壓為11～12.7 V時，DC-DC隔離電源模塊處于工作臨界狀態，一旦DC-DC隔離電源模塊長時間處于敏感電壓區，則會產生電壓尖峰過沖，這是電源模塊產品拓撲和所用PWM控制器決定的固有特性。若機載電源“負脈沖”的電壓深度和DC-DC隔離電源模塊臨界電壓點一旦吻合，同時“負脈沖”時間寬度稍長，DC-DC隔離電源模塊必然會輸出1個較高的過沖脈沖，即電壓尖峰過沖。電壓高脈沖的異常現象持續一段時間后，導致總線接口芯片結構燒毀，造成ARINC825總線短路失效。

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DC-DC電源模塊的過沖脈沖測試結果如圖4所示。

圖4 脈沖實測圖

如圖4所示，經實測，總線接口電路DC-DC隔離電源模塊的過沖脈沖最高可達18 V，寬度約20 ms，遠高于CAN收發器供電端的耐受電壓(5.25 V)。

實際使用中，受供電設備自身特性、用電設備電容狀態和接觸器觸點接觸情況等因素影響，機載電源“負脈沖”的電壓深度、脈寬數據分布較為隨機。當上電過程中的“負脈沖”不在敏感電壓區間(11～12.7 V)范圍內時，則不會發生ARINC825總線接口芯片損傷的故障。只有“負脈沖”在DC-DC隔離電源模塊的敏感電壓區間(11～12.7 V)時，才會頻發ARINC825總線接口芯片損傷的故障。因此機載電源“負脈沖”為造成ARINC825總線接口芯片損傷故障的誘因，ARINC825總線接口電路DC-DC隔離電源模塊輸出電壓尖峰過沖是造成ARINC825總線接口芯片損傷故障的直接原因。

3 試驗驗證

根據機理分析結論，從ARINC825總線接口芯片耐電壓測試和負脈沖模擬測試2個方面進行測試，以驗證故障分析診斷結果的正確性。

3.1 芯片耐電壓測試

將ARINC825總線接口芯片按工作狀態連接，向其電源管腳注入電壓，電壓從額定電壓5 V開始，緩慢上升，直至芯片無法工作。芯片耐電壓測試原理如圖5所示。

圖5 耐電壓測試原理圖

隨機抽取3個芯片依次進行測試，芯片測試結果如表1所示。

表1 失效電壓統計

由表1可知，當輸入電壓為11～14 V時，芯片損壞。證明了DC-DC隔離電源模塊存在上電敏感電壓區間。

3.2 “負脈沖”模擬測試

采用程控電源向ARINC825總線供電，模擬實際工況的10～13 V“負脈沖”。電源模擬原理示意圖如圖6所示。

圖6 電源模擬原理示意圖

通過反復試驗，當輸入電壓出現11～12.7 V的短暫停留(約50 ms)時，向ARINC825總線接口芯片提供工作電壓的DC-DC隔離電源模塊輸出端，本應輸出5 V電壓，卻出現1個寬度為20～30 ms的脈沖，脈沖可達18 V。該脈沖同時出現在ARINC825總線接口芯片的電壓輸入端，隨后ARINC825總線停止工作，ARINC825總線接口芯片失效，測試結果如圖7～圖9所示。

圖7 模擬輸入

圖8 輸出脈沖

圖9 輸出脈沖(局部放大)

向ARINC825總線DC-DC隔離電源模塊模擬輸入10～13 V電壓時，其特征如圖7所示；DC-DC隔離電源模塊在收到供電 “負脈沖”時，輸出一個過沖脈沖，其特征如圖8所示；DC-DC隔離電源模塊過沖脈沖局部特征如圖9所示。

根據模擬測試的試驗驗證可以明確，ARINC825總線接口芯片的DC-DC隔離電源模塊受機載電源“負脈沖”(10～13 V)的影響，向ARINC825總線接口芯片的供電端輸出了幅度較高的電壓脈沖(最高可達18 V)，該脈沖遠高于ARINC825總線接口芯片供電端的耐受電壓(5.25 V)，致使ARINC825總線接口芯片損壞，無法進行CAN通信。

4 改進措施分析及試驗驗證

4.1 改進措施分析

依據機理分析和試驗驗證結果，可知ARINC825總線接口芯片頻發損傷是由機載電源在轉換過程中的“負脈沖”和ARINC825總線接口芯片DC-DC隔離電源模塊的不穩定工作點共同導致的。因此，為避免ARINC825總線接口芯片損傷故障頻發，有消除機載電源在轉換過程中的“負脈沖”和DC-DC隔離電源模塊電壓尖峰過沖2個解決途徑。但消除機載電源在轉換過程中的“負脈沖”所需改裝巨大，代價高昂，而消除DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，改裝少，易于實現。這是由于當機載電源輸入10～13 V電壓區間時，DC-DC隔離電源模塊的輸入即為其極限工作電壓11～12.7 V區間。輸入電壓在10～13 V的電壓區間內長時間維持或振蕩時，DC-DC隔離電源模塊會輸出的高達18 V的電壓尖峰過沖，其脈沖電壓遠遠超出ARINC825總線接口芯片的供電電壓額定值5 V和芯片耐受電壓5.25 V，致使ARINC825總線接口芯片損壞，這是由DC-DC隔離電源模塊產品拓撲和所用PWM控制器的固有特性決定的。

DC-DC隔離電源模塊采用單端反激式拓撲結構，是最簡單且不需要磁芯復位電路的隔離變換器結構，在輸入電壓范圍寬的條件下，其占空比變化幅度最小[13]。所使用的PWM控制器需要外部供電或者靠自身內部偏置電路供電工作，一般采用穩壓電路供電[14]。輸入電壓經過濾波后通過供電電路使PWM控制器工作，PWM控制器根據隔離反饋信號調整輸出的脈沖寬度來控制開關管的通斷，輸入電壓被開關管斬波成具有固定頻率的矩形波電壓，隨后經變壓器傳遞后再經整流管整流濾波達到穩定的直流輸出。

因此，為了消除DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，就需要對DC-DC隔離電源模塊使用的PWM控制器進行調整。

4.2 PWM控制器供電線路改進

為了消除DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，將DC-DC隔離電源模塊供電線路更改為穩壓二極管串聯穩壓供電線路，使輸入電壓變化時，輸出電壓保持穩定，即保證PWM控制器的供電電壓的建立線性上升過程中其供電電壓不會出現震蕩。

改進前后供電線路如圖10所示，其中改進前DC-DC隔離電源模塊供電線路采用基準源穩壓供電線路，其線路圖如圖10(a)所示；改進后DC-DC隔離電源模塊供電線路采用穩壓二極管串聯穩壓供電線路，其線路圖如圖10(b)所示。

圖10 PWM控制器改進前后供電線路圖

PWM控制器的供電電壓建立圖如圖11所示，其中DC-DC隔離電源模塊改進前的供電電壓建立圖如圖11(a)所示，緩慢加電過程中，供電電壓明顯出現震蕩；DC-DC隔離電源模塊改進后的供電電壓建立圖如圖11(b)所示，緩慢加電過程中，供電電壓較為穩定。

4.3 PWM控制器改進

將原啟動電壓為8.5 V的PWM控制器更換為啟動電壓為5 V的PWM控制器，能夠在外部輸入電壓未到達可能發生振蕩的11～12.7 V區間時，使DC-DC隔離電源模塊完成啟動，使輸出電壓穩定建立，且輸出電壓不會出現過沖。供電電壓上升特征如圖11(b)所示。

改進前DC-DC隔離電源模塊采用的是UC184X系列PWM控制器，啟動電壓為8.5 V。改進后DC-DC隔離電源模塊采用啟動電壓更低的UC180X系列PWM控制器，啟動電壓為5 V。

圖11 供電電壓建立圖(緩慢加電)

4.4 反饋環路改進

改進后的DC-DC隔離電源模塊反饋環路設計取消PWM控制器內部誤差放大器補償，反饋環路建立閉環時間較快，PWM控制器反饋接收端電壓上升到基準電壓時很快就被限制，并很快被拉低，因此當PWM控制器輸出脈沖時，輸出電壓不會出現過沖。

DC-DC隔離電源模塊改進前后反饋環路如圖12所示，改進前反饋環路如圖12(a)所示；改進后反饋環路如圖12(b)所示。

圖12 改進前后反饋環路圖

改進前后反饋電壓與反饋建立圖如圖13所示，其中改進前DC-DC隔離電源模塊反饋環路設計使用PWM控制器內部誤差放大器補償，緩慢加電過程中反饋電壓與反饋建立的特征如圖13(a)所示；改進后DC-DC隔離電源模塊反饋環路設計未使用PWM控制器內部誤差放大器補償，取消反饋環路可以避免模塊存在“開環”工作狀態，緩慢加電過程中反饋電壓與反饋建立的特征如圖13(b)所示。

圖13 改進前后反饋電壓與反饋建立圖(緩慢加電)

通過改進PWM控制器供電線路、調整PWM控制器及取消反饋環路的內部誤差放大器補償，消除了DC-DC隔離電源模塊輸出的電壓尖峰過沖，使得供電電壓建立過程中不出現震蕩，保證了后級負載電路的正常運行。

4.5 改進措施驗證及結果分析

通過進行改進前后DC-DC隔離電源模塊敏感段電壓測試和4～27 V全部欠壓段測試，驗證改進后的DC-DC隔離電源模塊在敏感電壓區間和極端條件下，不會出現電壓過沖現象。

DC-DC隔離電源模塊敏感電壓測試試驗結果如圖14和圖15所示。改進后DC-DC隔離電源模塊在輸入電壓為11～12.7 V的敏感電壓段內無過沖，其特征如圖14所示；改進后DC-DC隔離電源模塊在輸入電壓為極限低值4 V時的特征如圖15所示，雖然已無法達到額定輸出，但上電過程中不會造成輸出電壓過沖，可驗證其工作模式的安全性。

通過試驗結果可以明確改進后DC-DC隔離電源模塊在輸入電壓為11～12.7 V的敏感電壓段內無過沖。在輸入電壓為極限低值4 V時，雖然已無法達到額定輸出，但上電過程中不會輸出電壓過沖的現象，可驗證其工作模式的安全性。因此，改進后的DC-DC隔離電源模塊在機載電源“負脈沖”的影響下，不會使輸出電壓過沖，損傷后級負載電路，導致ARINC825總線接口芯片損傷。

圖14 DC-DC隔離電源模塊改進前與改進后上電對比(敏感電壓段)

圖15 DC-DC隔離電源模塊改進前與改進后上電對比(極低電壓(4 V))

5 結束語

針對某型飛機使用維護過程中偶發電源切換導致ARINC825總線接口芯片失效的故障進行了深入的機理分析和研究。通過芯片失效分析、故障機理分析和試驗驗證，定位了該故障的根本原因。在充分權衡機載設備特點、裝備特性和故障本質后，制定了切實可行的改進措施。經地面測試和空中驗證，證明該改進措施合理有效，從根本上解決了長期困擾該裝備的使用維護困局，同時對同類裝備的開發研制具有較強的指導意義。