某電路板保險絲上電熔斷的故障研究與處理*

方 航 向 宇

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所 宜昌 443004）

1 引言

某型艦載產品電路板需開展批量調試工作，為了提高調試準確性和效率，特按調試工藝規范要求搭建了調試工裝平臺，簡化示意如圖1 所示。由于本次故障與電路板通信與控制信號部分無關，因此調試平臺示意只標注了有關聯的供電電路［1］、故障排查［2～4］過程只記錄相關細節。

圖1 電路板調試平臺示意

說明：G1 為供電單元，采用實驗室現有的軍用電源模塊4NIC-T700F（性能參數為輸入AC220V±20%、50Hz，輸出為DC28V/25A）或計量有效的程控電源（型號為數英SVING-SS1796C-2CH 直流穩定電源，輸出能力為50V/2A）。S1 為外接的按鈕開關，由于外接電源可能為軍用電源模塊且該供電單元自身無控制輸出開關，因此調試平臺采用了外部控制開關以便于接通/斷開電源，實際調試過程中用過按鍵式開關和船型開關兩種。XP1 為已電裝完成的軍用微矩形插頭，芯線定義包括通信控制信號及電源信號，由于本次故障主要與電源信號有關，故圖1 中只標記電源信號線。XS1 為已電裝完成的板級軍用微矩形插座，與XP1 配對連接。F1為貼片式保險絲/熔斷器，型號為CFF-1608-3A0-32V-T、廠家為振華云科，性能參數為額定耐壓值32V、額定耐流值3A。W1為被調試電路板A1除板級插座XS1 和保險絲F1 之外的其他電路模塊統稱。

調試過程參照該板級調試細則進行，首先完成調試平臺接線，確認接線無誤后設置電源參數使輸出電壓為28V，按下按鍵式開關S1，觀察電路板上板載藍色呼吸指示燈是否正常閃爍，如果正常閃爍，則表明電路板A1 供電正常，反之電路板A1 供電不正常。

2 故障現象描述

將待調試的電路板共計20 塊從JZB001-JZB020 順序編號，調試開始后，按下開關S1，馬上就能聽到電路板上有微弱爆炸聲。斷開開關S1，經檢查發現電路板整個電路前端的貼片式保險絲F1 表面發燙且有細小的裂紋、旁邊的三防漆呈現高溫燙傷狀且用手摸能感受到較高的余溫，用萬用表通斷檔測量保險絲兩端的通斷關系發現，保險絲兩端已斷開，其他電子元器件肉眼觀測均未發現明顯異常，初步判斷該電路板上的保險絲F1 發生熔斷。

更換第2 塊電路板JZB002 按照相同的操作步驟進行，上電后第2 塊電路板產生的故障現象與第1 塊JZB001 類似，連續更換了5 塊同批次的電路板，重復操作后發生的故障現象均不變，基本可以確定電路板上的保險絲F1 因某種未知原因發生熔斷［5］。

3 故障原因分析與測試排查

保險絲發生熔斷的主要原因是通過自身的電流過大，使得器件因工作電流過載而發生失效，屬于不可逆轉的損傷。根據該元器件的型號［6～7］，通過廠家官方網站查詢到的出廠測試數據如表1 所示。

表1 保險絲時間/工作電流特性

保險絲的額定電流為3A，通過表1 數據得知，在25°C 常溫工作環境下，當工作電流為3A 時保險絲正常工作的時間最少為4h；當工作電流為7.5A時保險絲正常工作時間最大為5s；當工作電流為12A 時保險絲正常工作時間最大為50ms。假設按等比例關系推測，當工作電流為18A時保險絲正常工作時間最大為500μs，實際中耐電流時間［8］與電流值并非呈線性比例關系且考慮器件應力損傷等各種原因，即額定電流百分比為600%時，保險絲估算正常工作時間遠小于500μs，由于未經原廠實驗室實測，本文并不能得出具體數值。

為測量通過保險絲的電流具體數值，我們在故障電路板外測試線纜上串聯了1Ω的功率電阻R1（型號為HS50、額定功率50W），在電阻R1 上掛示波器測量電阻兩端的電壓曲線，以間接的繪制工作電流曲線，供電單元G1 選用程控電源便于配置電源參數，測試平臺示意如圖2所示。

圖2 測試平臺示意

設置好儀器儀表的參數后開始測量R1兩端的電壓曲線如圖3所示。

圖3 上電瞬間保險絲工作電流曲線

通過曲線可知，電阻R1 兩端的峰值電壓為18.0V，計算得出通過的電流峰值為18.0A、電流≥10A 持續時間目測為100μs，由于回路串聯新電阻R1，增大了回路阻值，減小了回路電流，實際電路結構中通過保險絲［9］F1的實際電流＞18.0A，遠超保險絲的額定電流與耐受時間極限，基本可以確定是工作電流過大導致的保險絲瞬間失效［10］。

故障分析排查的重點在于找到具體什么原因導致電路板工作電流超限。根據推斷，一般會有如表2所示的可能。

表2 導致工作電流超限的可能性匯總

3.1 原因1排查

假設表2中原因1是故障主導因素。通過查看電路板上保險絲F1的絲印信息，確認發生故障的5塊電路板保險絲型號正確，且焊點飽滿充分、裸板焊盤與元器件引腳接觸良好，未發現裂痕、虛焊等焊裝工藝問題。電路設計階段計算出電路板穩態工作電流＜0.5A、瞬態峰值電流為2.142A＜3A，保險絲在選型過程中已充分考慮電流冗余，因此器件選型合理，可以排除原因1。

3.2 原因2排查

假設表2中原因2是故障主導因素。貼片式保險絲在出廠后受環境應力篩選試驗、焊裝工藝流程及操作工人接觸等環節影響，器件本身會存在一定程度的應力損傷，元器件電氣性能參數也會隨之下降，但是該損傷是長時間內逐步累積的、不會突然發生較大性能改變，因此推斷原因2 對保險絲熔斷有一定影響，并非主導因素。

3.3 原因3排查

假設表2中原因3是故障主導因素。程控電源是經我所計量專業檢測校準過的專用儀器，性能指標正常且符合要求。更換新電路板JZB006 重復操作，基于圖1測試平臺，假設提前將開關S1閉合，通過程控電源自帶開關控制電壓輸出，發現電路板上電正常，并未復現故障現象，因此推斷原因3 并非為主導因素。

3.4 原因4排查

假設表2中原因4是故障主導因素。供電單元選擇28V 電源模塊，該模塊為軍用級產品，輸出電壓誤差±1%，按照3.3節方法排查，發現電路板上電正常，并未復現故障現象，因此推斷原因4 并非為主導因素。

3.5 原因5排查

假設表2中原因5是故障主導因素。電路板上發生短路可能會導致工作電流升高，但板級器件較多，不可能對每個器件逐一詳細電氣特性檢查。通過對5 塊故障板上元器件進行肉眼檢查，未發現其他元器件因短路發生的燒焦糊味、器件表面發熱正常，該因素可暫時擱置。

3.6 原因6排查

假設表2 中原因6 是故障主導因素。按照圖2所示測試平臺接線，通過更換按鍵開關S1 為船型開關，經示波器測量發現，電阻兩端的電壓曲線相似，因此更換開關為其他型號并不能很好的解決故障。假設去掉開關S1，直接采用示波器自帶的電源輸出開關控制，新測試平臺如圖4所示。

圖4 測試平臺示意

接通程控電源開關，用示波器測量的電壓曲線如圖5 所示，根據曲線可知，去掉調試回路外掛的開關后，電阻R1兩端的電壓曲線平滑、波動明顯減小，基本可以推斷是外掛的開關抖動造成的電壓/電流峰值過大，后續通過實驗進一步驗證確認。

圖5 原因6排查對應的工作電流曲線

4 故障定位與問題解決

上述已根據電路板故障現象對6 種出現概率較大的原因進行了逐一分析排查，最終主要鎖定了第6 種原因即回路開關抖動影響為主導因素，需要更換抖動較小的開關。

根據3.3 節分析，程控電源自帶電源輸出開關且對輸出電壓抖動影響很小，可以滿足電路板調試需求，因此直接在調試線纜上去掉了開關S1。按照圖6 所示調試平臺重新接線，更換未調試的電路板開展持續測試［11］，設置好程控電源輸出參數后按下輸出開關，電路板上板載藍色呼吸指示燈正常閃爍，未發生保險絲熔斷故障。

圖6 測試平臺示意

5 結果

新調試平臺通過去掉調試線纜上的開關S1 進行調試，經長時間上電測試，后續的批量電路板未發生保險絲熔斷故障。可以判定是外掛的開關按鍵抖動引起的電源品質波動使得工作電流峰值遠超過保險絲耐流極限，導致了保險絲器件發生瞬間熔斷失效［12］，故障原因已準確定位并成功解決。

6 結語

在電路設計過程中應關注實際的信號特征和選用的器件級的電氣特性匹配關系，開關抖動引起的電源品質波動是很常見的問題，由于在板載電路嵌入式軟件中通常做了防開關抖動影響的濾波處理且開關抖動影響的時間很短暫，因此一般很少引起電路器件實質性的損傷或失效。本次出現的故障相對比較隱蔽和典型，但同樣應引起電路設計人員重視，其電路故障分析邏輯和處理過程對電路設計與調試具有一定的參考借鑒意義。