某型計算機組件輸出功能故障分析及改進

師 維，白夢嬈

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710054；2.西安航天精密機電研究所，陜西 西安 710199）

0 引 言

計算機組件是某型控制系統的重要組成部分，其主要功能是接收和處理接收機發送來的數據和信息，產生下一級各項實施電路所需的控制信號和必要的時間基準[1]，其功能的正常為某型控制系統的正常工作提供了基礎保證。近期，在某型控制系統產品返廠檢修中，出現了“時標信號”輸出異常的現象。經原理分析和檢測，是由于計算機組件輸出功能異常，導致輸出的間隔脈沖信號（時標信號）超差，進而影響使用。具體故障現象為：計算機組件第1 通道輸出的間隔脈沖信號異常。本文針對此現象，對模塊工作機理及故障原因進行了分析，對模塊故障點進行性能及應用上的分析。

1 原理分析

計算機組件包含8 路輸出通道，這8 路通道由獨立且完全相同的電路組成，其中第1 通道為間隔脈沖輸出通道。單通道電路原理圖如圖1 所示。

圖1 單通道電路原理圖

從圖1 可知：當前級光耦PS2801-4 截止時，三極管V3發射結反偏，三極管截止；當前級光耦PS2801-4 導通時，三極管V3發射結正向導通，基極電流約為0.5 mA；當集電極負載電流小于50 mA，三極管工作在飽和區，CE 飽和壓降接近于0 V[2]。經分析，通道電路原理與模塊應用情況合理，滿足由生產廠家提供的該型號三極管2SA9015 的規范要求（詳細參數見表1 所列），因此正常使用不會導致通道輸出異常。

表1 三極管2SA9015 最大額定值

2 故障排查及分析

2.1 故障排查

經測試，本故障組件第1 通道（間隔脈沖）的輸出信號異常，將組件開殼去膠后，觀察到第1 通道對應的三極管V3塑封外殼表面有明顯變形。用萬用表測量第1 通道上的電阻阻值、電容的通斷，以及三極管V3（2SA9015）的EB、BC結導通電壓和阻值，發現第1 通道上三極管V3（2SA9015）的EB 結電壓和電阻值異常，其他參數器件均正常[3]。相關測試值見表2 所列。

表2 第1 通道測試結果

由測試結果可知，三極管V3（2SA9015）的損壞直接導致了“間隔脈沖”信號的輸出異常。將失效的三極管V3拆下后，發現三極管V3底部PCB 板存在燒灼損毀現象，如圖2 所示。

圖2 組件PCB 板損壞實物圖

2.2 三極管失效原因分析

2.2.1 三極管失效故障樹

從元器件質量、生產工藝、外部電應力、操作使用等方面分析[4]可能導致三極管損壞失效的各個環節，建立故障樹如圖3 所示。

圖3 三極管損壞失效故障樹

根據故障樹可知，導致三極管損壞的可能底層事件分別為：（1）X1：器件質量問題；（2）X2：測試操作不當；（3）X3：焊接問題；（4）X4：回流焊溫度過高；（5）X5：異常電應力；（6）X6：操作使用不當。

2.2.2 故障因素分析

（1）器件質量問題分析

本組件所用三極管（2SA9015）在設計階段及批產階段均選用軍用質量等級器件，從軍用元器件生產廠家采購。經查，所用三極管（2SA9015）器件的合格證及檢驗報告齊全，同批次三極管（2SA9015）在內部生產、測試、老煉篩選等各個環節和過程中，未出現過任何故障，表明該批次器件質量無問題。因此X1分支可以排除。

（2）生產工藝問題分析

①測試不當

測試過程中，若操作人員疏忽造成三極管集電極與電源管腳發生短接，有可能造成三極管損壞。但該組件在各個加工與試驗環節后均進行了嚴格的測試，且在出廠前進行了產品終測并記錄了終測數據。該組件終測數據正常且滿足技術指標。因此X2分支可以排除。

②焊接問題

若三極管焊接中出現管腳虛焊或者管腳短路問題，在組件出廠前就會暴露，組件將無法通過出廠前的檢測。該組件故障出現后打開組件未發現短路和虛焊現象。因此X3分支可以排除。

③回流焊溫度過高

經核查，該組件PCB 回流焊工藝均嚴格按照內部回流焊工藝進行操作。回流焊預熱溫度為200 ℃，回流焊峰值溫度為245 ℃，符合該組件上所使用元器件的焊接溫度要求。因此，回流焊工藝不存在問題，X4分支可以排除。

（3）異常電應力分析

計算機組件信號輸出至下一級實施電路，同時輸出至記錄電路進行記錄。下面對與計算機組件相連接的兩路接口進行分析。

①“間隔脈沖”信號與記錄電路接口

“間隔脈沖”信號輸出至記錄電路進行記錄，如圖4 所示。由圖4 可以看到，正常工作條件下，記錄電路中LM124比較器輸入阻抗應呈高阻，無論計算機中2AS9015 三極管導通還是截止都不會與LM124 比較器產生大電流回路[5]。

圖4 計算機組件與記錄電路連接

②“間隔脈沖”信號與下一級實施電路接口

“間隔脈沖”信號是計算機組件發送給下一級實施電路的，如圖5 所示。由圖5 可知，下一級實施電路中二極管V14的電流流向是從計算機組件至下一級實施電路的。當計算機電路中的三極管V3截止時，計算機組件中的-15 V 通過限流電阻R23以及下一級實施電路中的R33、V5、V14等器件，與下一級實施電路上的0 V 和15 V 形成回路。此時流過V3的電流不會超過1.5 mA[6]。

圖5 計算機組件與下一級實施電路電氣連接

綜上所述，正常使用條件下，無論三極管控制導通還是截止，下一級實施電路接口電路都不會產生過大電流，不會使計算機組件內的三極管損壞。經測試，返廠的某導頭段各組件均合格。為了排除下一級實施電路接口異常而使計算機通路上的三極管失效的可能性，將故障計算機維修完成后安裝回原系統中（與同一某段配對）進行檢查臺檢測，結果顯示某控制段與某導頭段功能正常，所以排除了某導頭段中的下一級實施電路接口異常而產生過大電流致使計算機通路上的三極管失效的可能性。因此X5分支可以排除。

2.2.3 操作使用分析

根據電子組件特性，若在未完全斷電的情況下，一旦對產品接口進行插拔操作，瞬間會產生大電流，相當于正常使用的很多倍，該電流遠遠超過三極管額定電流。該大電流不僅具備擊穿模塊三極管V3的能力，且具備燒灼PCB的能力[7]。因此X6分支具備可能性。

2.3 故障原因分析

在返廠維修的計算機產品中，計算機組件故障率較高，基本都為模塊內部對應通道內三極管失效。通過以上分析可知，計算機組件器件質量、生產工藝均無問題，并且與計算機連接相關接口電路也均合格，無產生過大電流的可能性。排除了以上原因后，可判斷為：若現場操作人員對于產品測試操作不熟練，或沒有按相關測試要求進行接口插拔操作，就會在異常操作的瞬間產生大電流損壞系統電路薄弱區域。該組件設計的抗壓范圍及能力相對于整個系統來說稍偏薄弱，正常使用條件下性能參數穩定，

3 采取措施

由于故障計算機組件印制板已損壞，所以更換印制板，并重新安裝元器件。經調試、測試，故障現象排除。

為防止類似故障發生，嚴格規范計算機組件調試工藝及相關操作方法。在產品測試及使用過程中，必須在插入式設備完全斷電的情況下，方可進行產品接口插拔操作。具體措施如下：

（1）操作人員須嚴格遵守電子產品調試操作規范，測試前應觸摸人體靜電釋放器；在測試計算機組件時應穿防靜電工作服、工作帽，佩戴防靜電手鐲。

（2）產品測試通電前，檢查接口電路接插電纜的緊固度，確保接插可靠；先打開計算機檢查臺的工控機電源及顯示電源，再打開檢查臺電源；打開功能測試軟件先進行單項測試，測試合格后再進行全部測試項目。

（3）在產品測試完成后，確認檢查臺完全斷電后，等待產品電容電感積累的電量釋放，5 min 后再進行計算機組件的插拔操作。

以上措施均在計算機組件調試工藝中作了進一步要求及細化，操作人員嚴格按要求進行產品測試，再未出現類似故障。

4 電路改進研究

在三極管選型中，其耐壓及過流能力雖滿足電路電器參數及外圍電路的設計要求，但從產品系統的總體設計和返廠產品的故障來看，三極管的抗壓能力稍顯不足，需進行改進設計，以提高抗壓能力[8]。

根據圖1所示模塊單通道電路建立帶負載情況下的模型，如圖6 所示，假設外部電壓為Ux，負載阻抗為Rx。

圖6 帶負載情況下的模型

由圖6 可知，三極管導通狀態下通過的電流為15/1.2+Ux/Rx。若該電流超過其額定電流，會對三極管造成損傷，特別是在負載阻抗Rx變小或Ux變大時，電流會增大。因此，該三極管很容易受外部電路影響[9]。

若在輸出端增加保護電阻R[10]，如圖7 所示，則三極管導通時通過的電流為15/1.2+Ux/(Rx+R)，在Rx變小的情況下，受電阻R的保護，使通過三極管的電流不至于過大，可以在一定程度上避免三極管受到沖擊[11]。由于該模塊在系統中與多個組件有接口關系，因此在增加保護電阻的同時還應考慮其輸出在系統中的需求，改變對應組件的相關電路設計。

圖7 增加保護電阻模型

5 結 語

根據本文的分析可知，某計算機控制組件“時標信號”輸出異常是由于組件內部三極管失效引起的。通過對三極管失效原因進行分析，排除了器件質量問題、工藝問題、異常電應力等原因，確定組件故障是由于現場的操作人員對產品原理不熟悉，在未斷電情況下或斷電后未等待積累電量釋放完全就進行了組件插拔，以及操作抗壓能力不足的相關器件致其損壞而引起的。本文提出的在組件輸出端增加保護電阻的方法，可以使組件內部通過三極管的電壓不易隨負載的變化而變大至超過其最大耐受電壓。保護電阻阻值的選擇應當在整個系統中做具體分析，既要保證三極管的安全，又要保證后級電路中其他接口能被驅動。本文提出的電路改進方案為后續的研究提供了參考。