機(jī)載設(shè)備過流導(dǎo)致保險(xiǎn)絲燒毀案例分析

曹洪彬，劉紅波，劉斌全，王子楠，王道震

（天津七一二通信廣播有限公司，天津 300462）

引言

外場(chǎng)反映某機(jī)載某系統(tǒng)[1]在試飛過程中出現(xiàn)上報(bào)射頻功放模塊故障的現(xiàn)象。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障的某系統(tǒng)的電源單元內(nèi)適配射頻功放模塊+28 V 供電的保險(xiǎn)絲已被燒毀，且出現(xiàn)故障前射頻功放模塊始終處于正常工作狀態(tài)，保險(xiǎn)絲型號(hào)： WRK-Ⅱ-250V-3N，經(jīng)理論計(jì)算保險(xiǎn)絲選型不合理，不滿足此負(fù)載應(yīng)用場(chǎng)景，改選用型號(hào)： WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險(xiǎn)絲[2]，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)此故障發(fā)生，系統(tǒng)工作正常。

由于非國(guó)產(chǎn)化與國(guó)產(chǎn)化射頻功放模塊負(fù)載特性不同，開機(jī)啟動(dòng)瞬間沖擊電流持續(xù)時(shí)間不一致[3]，導(dǎo)致非國(guó)產(chǎn)化下的保險(xiǎn)絲選型，不滿足國(guó)產(chǎn)化射頻功放模塊使用要求。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中保險(xiǎn)絲選型并未考慮負(fù)載特性，本文旨在考慮不同負(fù)載特性下，提出了一種保險(xiǎn)絲的選型方法，該方法更全面地指導(dǎo)了保險(xiǎn)絲選型。

1 方法介紹

1.1 負(fù)載特性測(cè)試環(huán)境搭建

為客觀找準(zhǔn)適配射頻功放模塊保險(xiǎn)絲燒毀的原因，對(duì)非國(guó)產(chǎn)化及國(guó)產(chǎn)化射頻功放模塊的負(fù)載特性進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，測(cè)試框圖如圖1 所示。

圖1 開機(jī)沖擊電流測(cè)試框圖

該測(cè)試方法為系統(tǒng)供電電源常開，系統(tǒng)供電電源與被測(cè)設(shè)備之間增加輔助配電開關(guān)，通過輔助配電開關(guān)控制被測(cè)設(shè)備的上電控制，電流探頭夾在輔助控制開關(guān)的輸出與被測(cè)設(shè)備之間，模擬機(jī)上突然上電的真實(shí)狀態(tài)，用示波器讀取輔助配電開關(guān)閉合時(shí)的被測(cè)設(shè)備的上電沖擊電流。

1.2 射頻功放模塊負(fù)載特性測(cè)試結(jié)果

通過上述搭建的測(cè)試環(huán)境，分別完成非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊、國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊的負(fù)載特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見1.2.1 與1.2.2。

1.2.1 非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測(cè)情況

非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測(cè)沖擊電流峰值電流為74.4A，持續(xù)時(shí)間為200us 左右，波形為尖峰三角波。

1.2.2 國(guó)產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測(cè)情況

國(guó)產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性實(shí)測(cè)波形如圖2所示。

圖2 國(guó)產(chǎn)件上電沖擊電流波形

從圖2 可以看出，國(guó)產(chǎn)件射頻功放模塊開機(jī)沖擊電流峰值電流為74.4 A，持續(xù)時(shí)間為2 ms 左右,波形為尖峰三角波。

1.3 原保險(xiǎn)絲抗沖擊電流機(jī)理分析

原保險(xiǎn)絲型號(hào)為WRK-Ⅱ-250V-3N，其額定電流為3 A，額定電壓為250 V，結(jié)合上述非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊、國(guó)產(chǎn)件射頻功放模塊的上電脈沖測(cè)試結(jié)果，考慮模塊工作環(huán)境溫度影響，脈沖能量，脈沖循環(huán)承受能力，分別計(jì)算非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊、國(guó)產(chǎn)化射頻功放模塊所需要熔斷器的能量值（I2t）。

1）考慮工作溫度影響

熔斷器[4]是溫度敏感元件，當(dāng)熔斷器工作溫度高于25 ℃時(shí)必須考慮溫度的影響，應(yīng)參照熔斷器溫度折減曲線降級(jí)使用如圖3。等效電流計(jì)算方法參見公式（1）。

圖3 WRK-Ⅱ-250V 系列保險(xiǎn)絲溫度折減曲線

根據(jù)系統(tǒng)最高工作溫度達(dá)到95 ℃，根據(jù)溫度折減曲線可知95 ℃時(shí)溫度折減系數(shù)K 取值為82.5 %。

2）考慮脈沖能量波形

根據(jù)熔斷器廠家手冊(cè)推薦，計(jì)算脈沖能量值時(shí)，需要根據(jù)所測(cè)出的脈沖波形對(duì)照下圖中對(duì)應(yīng)近似的波形計(jì)算出脈沖的能量值（I2t）。

根據(jù)非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊、國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊的負(fù)載特性測(cè)試結(jié)果，測(cè)試的尖峰脈沖波形近似為圖4，對(duì)應(yīng)能量值計(jì)算公式見公式（2）。

圖4 尖峰脈沖波形能量值計(jì)算公式

3）考慮脈沖循環(huán)承受能力

根據(jù)熔斷器廠家產(chǎn)品手冊(cè)，熔斷器的需求能量值還需考慮循環(huán)脈沖次數(shù)需求，其中保險(xiǎn)絲能夠承受的循環(huán)脈沖次數(shù)與脈沖循環(huán)承受能力U之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 脈沖承受能力與次數(shù)

利用脈沖循環(huán)承受能力和電路中脈沖值（I2t）可計(jì)算所需熔斷器的能量值，計(jì)算方法見公式（3）：

根據(jù)系統(tǒng)工作要求，本文熔斷器選型要求能夠承受10 萬(wàn)次脈沖，即對(duì)應(yīng)的脈沖循環(huán)承受能力U 取值為22 %。

1.3.1 非國(guó)產(chǎn)化樣機(jī)狀態(tài)分析

根據(jù)非國(guó)產(chǎn)化件所測(cè)量出的脈沖波形形狀，可計(jì)算出脈沖的能量值（I2t）：

測(cè)試顯示瞬態(tài)電流I瞬1為74.4 A，脈沖持續(xù)時(shí)間T瞬1為200 us，結(jié)合公式（1）、公式（2）可計(jì)算上電時(shí)產(chǎn)生的脈沖能量值：

考慮熔斷器需要承受脈沖次數(shù)為10 萬(wàn)次，結(jié)合公式（3），則所需的熔斷器的能量值:

因此適配非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊的熔斷器選型需滿足大于Q需1=1.478A2s。

保險(xiǎn)絲的電流-時(shí)間特性曲線圖，如圖5 所示。

圖5 電流-時(shí)間特性曲線圖

從圖5 電流-時(shí)間特性曲線可以看出，保險(xiǎn)絲WRK-Ⅱ-250V-3N 在74.4A 脈沖電流時(shí)能承受的最大能量值為Q3N= I2t=74.4×74.4×0.001 A2s=5.53 A2s，該能量值滿足Q3N≥Q需1，說(shuō)明WRK-Ⅱ-250V-3N 保險(xiǎn)絲選型滿足非國(guó)產(chǎn)化件射頻功放模塊負(fù)載特性的設(shè)計(jì)要求。

1.3.2 國(guó)產(chǎn)化樣機(jī)狀態(tài)分析

根據(jù)國(guó)產(chǎn)件所測(cè)量出的脈沖波形形狀，計(jì)算出脈沖的能量值（I2t）。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，瞬態(tài)電流I瞬2為74.4 A，脈沖持續(xù)時(shí)間T瞬2為2 ms，此脈沖是在負(fù)載上電瞬間產(chǎn)生，上電時(shí)產(chǎn)生的脈沖能量值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，考慮熔斷器需要承受脈沖次數(shù)，則所需的熔斷器的能量值:

因此適配國(guó)產(chǎn)件射頻功放模塊的熔斷器選型需滿足如下要求：

實(shí)際情況： Q需2（100次）≥Q3N,說(shuō)明匹配射頻功放模塊的WRK-Ⅱ-250V-3N 保險(xiǎn)絲只能承受射頻功放模塊小于100 次的上電脈沖，選型無(wú)法滿足國(guó)產(chǎn)件射頻功放模塊負(fù)載特性的設(shè)計(jì)要求，在一定次數(shù)后會(huì)造成WRK-Ⅱ-250V-3N 保險(xiǎn)絲燒毀。

1.4 機(jī)理分析總結(jié)

本次保險(xiǎn)絲的燒毀主要原因在于射頻功放模塊國(guó)產(chǎn)化后負(fù)載需求增加，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)化后射頻功放模塊的開機(jī)沖擊電流超出了原保險(xiǎn)絲的最大耐受能量值，出現(xiàn)燒毀。

2 替代保險(xiǎn)絲與原保險(xiǎn)絲對(duì)比分析

2.1 瞬態(tài)能量分析

基于上述原因分析及測(cè)試結(jié)果對(duì)保險(xiǎn)絲重新選型。同封裝大小保險(xiǎn)絲型號(hào)有WRK-II-250V-4N、WRK-II-250V-6N、WRK-II-250V-10N，根據(jù)圖5 電流-時(shí)間特性曲線，分別計(jì)算在74.4A 脈沖電流時(shí)各保險(xiǎn)絲可承受的最大能量值。

保險(xiǎn)絲WRK-Ⅱ-250V-4N 在74.4 A 脈沖電流時(shí)能承受的最大能量值為：

保險(xiǎn)絲WRK-Ⅱ-250V-6N 在74.4 A 脈沖電流時(shí)能承受的最大能量值為：

保險(xiǎn)絲WRK-Ⅱ-250V-10N 在74.4 A 脈沖電流時(shí)各保險(xiǎn)絲可承受的最大能量值為：

經(jīng)上述理論計(jì)算WRK-Ⅱ-250V-4N 的保險(xiǎn)絲Q4N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能滿足國(guó)產(chǎn)化與非國(guó)產(chǎn)化負(fù)載特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險(xiǎn)絲Q6N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s，能滿足國(guó)產(chǎn)化與非國(guó)產(chǎn)化負(fù)載特性要求。

WRK-Ⅱ-250V-10N 的保險(xiǎn)絲Q10N≥Q需2（100000次）=14.77 A2s 同時(shí)能滿足國(guó)產(chǎn)化非國(guó)產(chǎn)化負(fù)載特性要求，但考慮負(fù)載特性因素，WRK-Ⅱ-250V-4N、WRK-Ⅱ-250V-6N 的保險(xiǎn)絲即可滿足使用，WRK-Ⅱ-250V-10N的保險(xiǎn)絲過余量設(shè)計(jì)，存在起不到過流保護(hù)作用的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 穩(wěn)態(tài)電流分析

考慮穩(wěn)態(tài)電流降額情況，實(shí)測(cè)本負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流為2.05 A，根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB/Z 35-1993 元器件降額準(zhǔn)則[5]，保險(xiǎn)絲降額系數(shù)為0.45~0.5，保險(xiǎn)絲選型應(yīng)大于2.05/0.5= 4.1 A，由此可知WRK-Ⅱ-250V-4N 保險(xiǎn)絲不滿足使用要求。因此本設(shè)計(jì)中采用WRK-Ⅱ-250V-6N的保險(xiǎn)絲進(jìn)行原位替換。

3 驗(yàn)證情況

更換WRK-Ⅱ-250V-6N 保險(xiǎn)絲后，對(duì)返廠設(shè)備進(jìn)行全面性能檢測(cè)及高、低溫、溫沖測(cè)試，功能、性能正常，指標(biāo)符合協(xié)議書要求，采取的措施有效可行，故障消除。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)載設(shè)備過流導(dǎo)致保險(xiǎn)絲燒毀問題，實(shí)測(cè)負(fù)載啟動(dòng)沖擊電流波形，提出了一種保險(xiǎn)絲選型方法。通過替代的保險(xiǎn)絲與原保險(xiǎn)絲在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進(jìn)行對(duì)比分析，論證了替代保險(xiǎn)絲的有效性。此方法彌補(bǔ)了電路設(shè)計(jì)中的缺陷，已實(shí)際應(yīng)用在我單位電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，同時(shí)可作為后續(xù)機(jī)載設(shè)備保險(xiǎn)絲的選型依據(jù)，提高整機(jī)的可靠性及安全性。