某电路板保险丝上电熔断的故障研究与处理.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期1引言某型舰载产品电路板需开展批量调试工作，为了提高调试准确性和效率，特按调试工艺规范要求搭建了调试工装平台，简化示意如图1所示。由于本次故障与电路板通信与控制信号部分无关，因此调试平台示意只标注了有关联的供电电路1、故障排查24过程只记录相关细节。说明：G1为供电单元，采用实验室现有的军用电源模块4NIC-T700F（性能参数为输入AC220V20%、50Hz，输出为DC28V/25A）或计量有效的程控电源（型号为数英SVING-SS1796C-2CH直流稳定电源，输出能力为 50V/2A）。S1 为外接的按钮开关，由于外接电源可能为军用电源模块且该供电单元自身无控制输出开关，因此调试平台采用了外部控制开关以便于接通/断开电源，实际调试过程中用过按键式开关和船型开关两种。XP1为已电装完成的军用微矩形插头，芯线定义包括通信控制信号及电源信号，由于本次故障主要与电源信号有关，故图1中只标记电源信号线。XS1为已电装完成的板级军用微矩形插座，与 XP1配对连接。F1为 贴 片 式 保 险 丝/熔 断 器，型 号 为 CFF-1608-3A0-32V-T、厂家为振华云科，性能参数为额定耐压值32V、额定耐流值3A。W1为被调试电路板A1除板级插座XS1和保险丝F1之外的其他电路模块统称。收稿日期：2022年11月12日，修回日期：2022年12月25日作者简介：方航，男，硕士研究生，工程师，研究方向：动力学与控制、嵌入式系统软硬件设计。向宇，男，博士研究生，工程师，研究方向：人工智能、计算机图像处理。某电路板保险丝上电熔断的故障研究与处理方航向宇（中国船舶集团有限公司第七一研究所宜昌443004）摘要为了解决某型舰载产品电路板保险丝上电频繁熔断的故障，论文首先对故障产生的条件进行了详细的梳理，其次对故障的现象及可能存在的原因进行了准确描述和全面分析，对各种可能的原因逐一进行了排查并开展了样机试验验证，最后锁定了最主要的原因并有针对性的进行了故障清除。故障处理结果表明，该故障的分析处理思路清晰、逻辑合理，准确地定位并解决了电路板故障，其电路故障分析逻辑和处理过程对电路设计与调试工作具有一定的参考借鉴意义。关键词电路板；熔断丝；上电熔断；故障分析处理；试验验证中图分类号TP275DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.035Fault Research and Treatment of a Circuit BoardFuses Power-on FuseFANG HangXIANG Yu（No.710 Research Institute of China State Shipbuilding Corporation Limited，Yichang443004）AbstractIn order to solve the problem that the circuit board fuse of an shipborne product is frequently blown when powerdon，Firstly this paper combs the fault conditions in detail.Secondly，it accurately describes and comprehensively analyzes the faultphenomenon and possible causes.Various possible causes are checked one by one and the prototype test verification is carried out.Finally，the main causes are locked and the fault is cleared pertinently.The result of fault treatment shows that the fault analysis andtreatment idea is clear，logic and reasonable，and the circuit board is accurately located and solved.The circuit fault analysis logicand treatment process have certain reference significance for circuit design and debugging.Key Wordscircuit board，fuse wire，power-on fuse，fault analysis and treatment，test verificationClass NumberTP275总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.5175总第347期调试过程参照该板级调试细则进行，首先完成调试平台接线，确认接线无误后设置电源参数使输出电压为28V，按下按键式开关S1，观察电路板上板载蓝色呼吸指示灯是否正常闪烁，如果正常闪烁，则表明电路板A1供电正常，反之电路板A1供电不正常。2故障现象描述将 待 调 试 的 电 路 板 共 计 20 块 从 JZB001-JZB020顺序编号，调试开始后，按下开关S1，马上就能听到电路板上有微弱爆炸声。断开开关S1，经检查发现电路板整个电路前端的贴片式保险丝F1表面发烫且有细小的裂纹、旁边的三防漆呈现高温烫伤状且用手摸能感受到较高的余温，用万用表通断档测量保险丝两端的通断关系发现，保险丝两端已断开，其他电子元器件肉眼观测均未发现明显异常，初步判断该电路板上的保险丝F1发生熔断。更换第2块电路板JZB002按照相同的操作步骤进行，上电后第2块电路板产生的故障现象与第1 块 JZB001 类似，连续更换了 5 块同批次的电路板，重复操作后发生的故障现象均不变，基本可以确定电路板上的保险丝F1因某种未知原因发生熔断5。3故障原因分析与测试排查保险丝发生熔断的主要原因是通过自身的电流过大，使得器件因工作电流过载而发生失效，属于不可逆转的损伤。根据该元器件的型号67，通过厂家官方网站查询到的出厂测试数据如表1所示。表1保险丝时间/工作电流特性特性快速熔断F额定电流百分比100%250%400%在25C的断路时间最少4h最大5s最大0.05s保险丝的额定电流为3A，通过表1数据得知，在25C常温工作环境下，当工作电流为3A时保险丝正常工作的时间最少为4h；当工作电流为7.5A时保险丝正常工作时间最大为 5s；当工作电流为12A时保险丝正常工作时间最大为50ms。假设按等比例关系推测，当工作电流为18A时保险丝正常工作时间最大为500s，实际中耐电流时间8与电流值并非呈线性比例关系且考虑器件应力损伤等各种原因，即额定电流百分比为600%时，保险丝估算正常工作时间远小于500s，由于未经原厂实验室实测，本文并不能得出具体数值。为测量通过保险丝的电流具体数值，我们在故障电路板外测试线缆上串联了1的功率电阻R1（型号为HS50、额定功率50W），在电阻R1上挂示波器测量电阻两端的电压曲线，以间接的绘制工作电流曲线，供电单元G1选用程控电源便于配置电源参数，测试平台示意如图2所示。图1电路板调试平台示意图2测试平台示意方航等：某电路板保险丝上电熔断的故障研究与处理176舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期设置好仪器仪表的参数后开始测量R1两端的电压曲线如图3所示。图3上电瞬间保险丝工作电流曲线通过曲线可知，电阻 R1 两端的峰值电压为18.0V，计算得出通过的电流峰值为 18.0A、电流10A持续时间目测为100s，由于回路串联新电阻R1，增大了回路阻值，减小了回路电流，实际电路结构中通过保险丝9F1的实际电流18.0A，远超保险丝的额定电流与耐受时间极限，基本可以确定是工作电流过大导致的保险丝瞬间失效10。故障分析排查的重点在于找到具体什么原因导致电路板工作电流超限。根据推断，一般会有如表2所示的可能。3.1原因1排查假设表2中原因1是故障主导因素。通过查看电路板上保险丝F1的丝印信息，确认发生故障的5块电路板保险丝型号正确，且焊点饱满充分、裸板焊盘与元器件引脚接触良好，未发现裂痕、虚焊等焊装工艺问题。电路设计阶段计算出电路板稳态工作电流0.5A、瞬态峰值电流为2.142A3A，保险丝在选型过程中已充分考虑电流冗余，因此器件选型合理，可以排除原因1。表2导致工作电流超限的可能性汇总序号123456可能的原因保险丝焊装错误、选型错误。保险丝器件本身出现应力损伤导致性能指标下降。程控电源输出电压/电流峰值过大。电源模块输出电压/电流峰值过大。电路板上出现短路。开关抖动产生的瞬间峰值电压/电流过大。关联元器件保险丝F1保险丝F1程控电源电源模块电路板全部元器件调试线缆上的开关S1备注3.2原因2排查假设表2中原因2是故障主导因素。贴片式保险丝在出厂后受环境应力筛选试验、焊装工艺流程及操作工人接触等环节影响，器件本身会存在一定程度的应力损伤，元器件电气性能参数也会随之下降，但是该损伤是长时间内逐步累积的、不会突然发生较大性能改变，因此推断原因2对保险丝熔断有一定影响，并非主导因素。3.3原因3排查假设表2中原因3是故障主导因素。程控电源是经我所计量专业检测校准过的专用仪器，性能指标正常且符合要求。更换新电路板JZB006重复操作，基于图1测试平台，假设提前将开关S1闭合，通过程控电源自带开关控制电压输出，发现电路板上电正常，并未复现故障现象，因此推断原因3并非为主导因素。3.4原因4排查假设表2中原因4是故障主导因素。供电单元选择28V电源模块，该模块为军用级产品，输出电压误差1%，按照3.3节方法排查，发现电路板上电正常，并未复现故障现象，因此推断原因4并非为主导因素。3.5原因5排查假设表2中原因5是故障主导因素。电路板上发生短路可能会导致工作电流升高，但板级器件较多，不可能对每个器件逐一详细电气特性检查。通过对5块故障板上元器件进行肉眼检查，未发现其他元器件因短路发生的烧焦糊味、器件表面发热正常，该因素可暂时搁置。3.6原因6排查假设表2中原因6是故障主导因素。按照图2所示测试平台接线，通过更换按键开关S1为船型开关，经示波器测量发现，电阻两端的电压曲线相似，因此更换开关为其他型号并不能很好的解决故障。假设去掉开关S1，直接采用示波器自带的电源输出开关控制，新测试平台如图4所示。接通程控电源开关，用示波器测量的电压曲线如图5所示，根据曲线可知，去掉调试回路外挂的开关后，电阻R1两端的电压曲线平滑、波动明显减小，基本可以推断是外挂的开关抖动造成的电压/电流峰值过大，后续通过实验进一步验证确认。177总第347期图5原因6排查对应的工作电流曲线4故障定位与问题解决上述已根据电路板故障现象对6种出现概率较大的原因进行了逐一分析排查，最终主要锁定了第6种原因即回路开关抖动影响为主导因素，需要更换抖动较小的开关。根据3.3节分析，程控电源自带电源输出开关且对输出电压抖动影响很小，可以满足电路板调试需求，因此直接在调试线缆上去掉了开关S1。按照图6所示调试平台重新接线，更换未调试的电路板开展持续测试11，设置好程控电源输出参数后按下输出开关，电路板上板载蓝色呼吸指示灯正常闪烁，未发生保险丝熔断故障。图4测试平台示意5结果新调试平台通过去掉调试线缆上的开关S1进行调试，经长时间上电测试，后续的批量电路板未发生保险丝熔断故障。可以判定是外挂的开关按键抖动引起的电源品质波动使得工作电流峰值远超过保险丝耐流极限，导致了保险丝器件发生瞬间熔断失效12，故障原因已准确定位并成功解决。6结语在电路设计过程中应关注实际的信号特征和选用的器件级的电气特性匹配关系，开关抖动引起的电源品质波动是很常见的问题，由于在板载电路嵌入式软件中通常做了防开关抖动影响的滤波处理且开关抖动影响的时间很短暂，因此一般很少引起电路器件实质性的损伤或失效。本次出现的故障相对比较隐蔽和典型，但同样应引起电路设计人员重视，其电路故障分析逻辑和处理过程对电路设计与调试具有一定的参考借鉴意义。参 考 文 献1华成英，童诗白.模拟电子技术基础 M.第4版.北京：高等教育出版社，2006：402-480.2杨晓川，谢庆华.基于故障树的模糊故障诊断方法 J.同济大学学报，2001（9）：1048-1060.图6测试平台示意方航等：某电路板保险丝上电熔断的故障研究与处理178舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期3李琦.基于行为级模型的电路故障诊断方法研究 D.成都：电子科技大学，2018：2-4.4黄亮.模拟电路故障诊断研究 D.北京：北京交通大学，2011：14-23.5田张印.改装音响后经常烧小灯保险丝故障的排除 J.汽车维修，2011（3）：28-29.6张本霞.保险丝选型和应用 J.电子质量，2020（5）：10-13.7李刚，高琳.小型保险丝选型及重要案例研究 J.科技尚品，2016（7）：20-23.8陈健.保险丝熔断时间测试系统的研制 J.价值工程，2011，30（4）：173-174.9江建霖.单层结构与双层结构保险丝熔断特性比对 J.中国电子商情：基础电子，2011（8）：51-52.10彭开盛.35kV高压保险丝熔断故障原因分析与预防措施 J.电网技术，2012：27-29.11王彤威，常玉国，史慧.电子设备电路板维修测试与诊断系统的研制与应用 J.计算机测量与控制，2004，12（10）：937-939.12张志伟，王新才.硬件系统工程师宝典 M.北京：电子工业出版社，2015：52-86.的差异，得出以下结论：1）弹带动态挤进阻力变化规律与经典理论中准静态模型的挤进阻力曲线有较大差别，最大挤进阻力88.9KN，而准静态时此值为86.68KN，动态挤进阻力值略高于准静态挤进阻力。2）弹 带 挤 进 完 成 时 刻 对 应 膛 底 压 力 为168MPa，比经典内弹道理论中挤进压力取经验值30MPa要大得多，因此，传统的挤进压力假设误差较大。3）挤进过程中弹带绝热变形产生的热量不足以使弹带材料熔化，最高温度为189，未达到材料熔化温度，因此弹带在挤进过程中未发生熔融。4）坡膛长度变长，弹丸运动阻力减小，挤进压力变小；膛线阳线高度减小，挤进时弹带过盈量和强制量相对减小，弹丸与身管之间的作用趋缓，弹丸挤进相对容易，弹带挤进阻力降低；阳线宽度变小，弹丸挤进过程中的初始阻力减小，阴线宽度的相对增加，给弹带提供了更大的材料流动空间，弹带挤进更加容易，最大挤进阻力降低。参 考 文 献1孙全兆，杨国来，王鹏，等.某大口径榴弹炮弹带挤进过程数值模拟研究 J.兵工学报，2015，36（2）：206-207.2李淼，钱林方，陈龙淼.弹带挤进过程内弹道特性研究J.振动与冲击，2016，35（23）：78-79.3Qian L F.Artillery ballisticsM.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2009.4顾玮.弹带挤进及火炮内膛损伤的数值模拟研究 D.南京：南京航空航天大学，2014：27-32.5张志宏.基于ABAQUS的身管涂层磨损行为研究 D.兰州：兰州理工大学，2016：7-10.6Xu S，Chen X，Feng X.Some type of artillery shellssqueeze into the numerical simulation and analysisJ.Sichuan Ordnance Engineering，2011，32（8）：14-15.7 Wang P，Yang G，Ge J，et al.Based on the Johnson-Cookconstitutive model of the elastic belt extrusion process numerical simulationJ.Journal of Ballistics，2015，27（2）：55-56.8 Sun Q，Yang G，Wang Peng，et al.A large-caliber howitzer cannonball jamming process numerical simulation researchJ.Journal 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