電源故障預測

I.電子系統的故障預測技術(shù)定義

故障是產(chǎn)品不能完成規定功能或性能退化導致不能滿(mǎn)足規定要求的狀態(tài)。電子系統的故障預測技術(shù)是以當前電子系統的使用狀態(tài)為起點(diǎn)，對將來(lái)可能出現的故障進(jìn)行預測，當預測到故障時(shí)及時(shí)向用戶(hù)提出警告，以便用戶(hù)能夠采取措施避免重大惡性事故發(fā)生,對現行的系統管理和維修制度具有開(kāi)創(chuàng )性的作用，達到及時(shí)的故障預測和對電子系統有效的健康管理。故障預測技術(shù)是實(shí)時(shí)地監控系統的健康狀態(tài)和剩余使用壽命(RUL),它提供狀態(tài)維修的依據,并且它區別于故障診斷(事后維修)。



采用故障預測技術(shù)有很多好處。據NAVAIR統計,在支援設備上有6%到10%的節省,在必要的人力支持方面有46%到52%的節省，在美國商業(yè)電信部門(mén)，最近的一項分析表明，故障預測系統的啟用導致OEM電力系統的33%投資回報率（ROI）。故障預測或預測的診斷方法可以讓用戶(hù)檢測到退化的被監察電子模塊。通過(guò)預先警告即將發(fā)生磨損，可進(jìn)行以條件為基礎的維修。在這期間，故障預測也可以支持動(dòng)態(tài)切換到備份系統，或通過(guò)切負荷計劃，或其他閉環(huán)控制措施，以確保任務(wù)圓滿(mǎn)成功。



系統的壽命通常認為，一個(gè)浴缸曲線(xiàn)模型，如圖1所示。為了避免過(guò)早的失效，檢測失效邊緣的觸發(fā)是可取的，就象圖1.的故障預測觸發(fā)點(diǎn)一樣。這個(gè)故障預測觸發(fā)點(diǎn)，可以通過(guò)“金絲雀”型感應器或由算法所得到。圖1.曲線(xiàn)揭示了系統的壽命與失效速率的關(guān)系,可以看到在系統的初期隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng),失效速率是逐漸降低的,這個(gè)階段,容易發(fā)生早期失效；隨著(zhù)時(shí)間的推移,系統進(jìn)入穩定期,也就是有用壽命期,這里會(huì )發(fā)生隨機失效；當進(jìn)入退化期,退化失效速率是隨時(shí)間而升高的。故障預測觸發(fā)點(diǎn)設置在有用壽命期期間,不讓系統進(jìn)入退化期。


故障預測技術(shù)最初是為機械的應用發(fā)展起來(lái)的，并在直升機和復雜的機械系統與HUMS子系統里所采用。由于要監測的組成部分不同，其特征值，時(shí)間常數，和斷斷續續性的存在，電子故障預測技術(shù)需要獨特的創(chuàng )新提供類(lèi)似的能力。電子故障預測技術(shù)尤為寶貴，尤其是在運行準備很重要和停機費用昂貴等關(guān)鍵系統。比如說(shuō):FADEC飛行控制系統，電源系統,動(dòng)力系統，驅動(dòng)器和數字CPU板等。



采用電子故障預測技術(shù)需要監測系統中的關(guān)鍵組成部分的行為。這種行為可以用被監控的傳感器，例如Ridgetop-GroupSJ-BIST和Ringdown,前者主要是對由于焊錫球柵陣列(BGA或FPGA)的焊錫球在PCB板上的斷裂造成的電信號斷斷續續的現象進(jìn)行監測;后者主要是對電源系統壽命的監測。

圖2.PCB或模塊可以啟用故障預測




在PCB或模塊上可以啟用故障預測的，如圖2.所示:SJ-BIST主要是對FPGA或BGA在PCB板上焊接球的狀態(tài)的監測,尤其是對PCB板上焊接球斷裂造成的系統斷斷續續的現象的監測;IC的NBTI,TDDB等單元是對芯片本身壽命的故障預測;電源傳感器是對電源壽命的監測,即Ringdown。在圖2.中關(guān)鍵模塊可以用來(lái)監測或觀(guān)察使用現有的傳感器點(diǎn)，或者由另外的傳感器來(lái)監測或觀(guān)察。另外的傳感器也可以被集成或者將非侵入式傳感器放到另一個(gè)系統。

II.電源系統的故障預測技術(shù)-Ringdown

電源系統是電子系統的主要部件，同時(shí)也是制約電子系統壽命的關(guān)鍵部件。傳統電源系統的特點(diǎn)可以概括成下列幾條：

1.符合安全規范
2．能帶動(dòng)大容性負載,電子系統可以有很多去耦電容.
3．從空載到滿(mǎn)載能穩定運行,模塊插卡式設備,模塊數量和功耗不同
4．純電阻負載到大容性負載能穩定運行
5．空載突變到滿(mǎn)載或滿(mǎn)載到空載,電壓下跌量小,恢復時(shí)間短
6．起動(dòng)時(shí),電壓無(wú)超調或電壓超調量小
7．紋波小
8．輸入電壓范圍廣
9．輸入掉電,輸出電壓維持時(shí)間長(cháng)
10．工作環(huán)境溫度范圍廣,低溫下空載,高溫下滿(mǎn)載長(cháng)時(shí)間運行
11．符合EMC標準
12．能驅動(dòng)瞬時(shí)超過(guò)載(脈沖負載)
13．負載短路時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入恒流狀態(tài),短路故障去除,能自動(dòng)進(jìn)入恒壓.
14．效率要高
15．大功率具有PF校正

16.出廠(chǎng)前老化

眾所周知，電源出廠(chǎng)前要進(jìn)行老化試驗。老化的目的是評估電源的性能和壽命，送到用戶(hù)手中的電源是穩定的。即圖1.中所示的電源應處在穩定期，但也可以從圖1.可以看出,即使是系統處于穩定期,也會(huì )發(fā)生隨機失效。為了用戶(hù)的電源系統有很好的可靠性和故障預知性，應該再加電源系統的故障預測技術(shù)-Ringdown。美國Ridgetop-Group的Ringdown解決方案使電源系統的故障預測技術(shù)成為可能，它能提高電源系統的可靠性和可維護性與故障的可預測性。Ringdown解決方案既然是一種故障預測技術(shù)，它也遵從故障預測的普遍原則，即即插即用原則，不需要對用戶(hù)電源系統電路進(jìn)行任何改動(dòng)就可以實(shí)現對電源系統的健康狀況實(shí)時(shí)監控,其性能遠超過(guò)現行的靜態(tài)電流負載測試方法。

III.Ringdown技術(shù)的介紹

機電致動(dòng)器，如線(xiàn)性驅動(dòng)器，在許多航空航天應用，包括軍用和商用飛機,正在取代其液壓對應的單元。降低整體的載重和消除液體的泄漏的問(wèn)題，有助于降低運營(yíng)和維護費用。也許機電致動(dòng)器的采用的一個(gè)更大的好處是改善飛行控制能力。為便于采用，非侵入性的解決方案是電子子系統的故障預測技術(shù)的首選。Ridgetop-Group的非侵入式Ringdown技術(shù)是為電子電源系統的故障預測發(fā)展而來(lái)的，能夠適應于象服務(wù)于飛機的機電致動(dòng)器的運動(dòng)控制系統的伺服環(huán)路。

下面介紹一個(gè)對直流電機的監測的例子來(lái)說(shuō)明Ringdown。


圖3無(wú)刷電機/機電致動(dòng)器伺服環(huán)路


圖3.是直流電動(dòng)機伺服環(huán)路圖，是利用位置反饋所提供的解析器或執行運動(dòng)的霍爾傳感器。運動(dòng)控制系統的錯誤可以被分析，以評估H橋電路共同的無(wú)刷直流電動(dòng)機伺服驅動(dòng)器的健康狀況（State-of-Health）。




(圖4a健康MOSFET)

(圖4b損壞的MOSFET)


圖4是Ringdown仿真結果。圖4a）揭示轉子位置和當H橋電路的所有組成部分是健康狀態(tài)時(shí)的錯誤對比。當H橋正常工作時(shí)，轉子位置密切跟蹤目標位置，在命令指揮方向改變以前，幾乎為零錯誤，即轉子位置和目標位置是匹配的。H橋功率級也包括了MOSFET的開(kāi)關(guān)，對于三相無(wú)刷直流電動(dòng)機，有三對MOSFET的開(kāi)關(guān)。利用脈沖寬度調制（PWM）技術(shù)，MOSFET的開(kāi)關(guān)控制通過(guò)線(xiàn)圈繞組的電流和轉子的轉動(dòng)?；旧?，依靠調節PWM信號的占空比來(lái)改變轉子的方向或在命令位置穩定的保持。50％的PWM占空比沒(méi)有產(chǎn)生運動(dòng)，少于百分之五十的占空比運動(dòng)在一個(gè)方向（如順時(shí)針?lè )较颍?，而多?0％的占空比運動(dòng)在反方向(如逆時(shí)針?lè )较?。圖4b說(shuō)明的是一個(gè)單一階段的H橋的一個(gè)MOSFET退化的效果（例如，增加了內部電阻）。對比圖4a.可以看出，轉子位置大于模擬的目標位置。當方向改變的命令下達時(shí)，轉子位置輕微地超過(guò)目標位置，經(jīng)過(guò)補償，然后再?lài)L試遵從目標位置。圖4b.錯誤的曲線(xiàn)圖揭示了異?？刂苹芈返男袨?。錯誤的曲線(xiàn)圖是由于退化的MOSFET開(kāi)關(guān)造成的。這導致正常轉子為了回應指揮位置變化要快的多，以及抵消觀(guān)察與實(shí)際轉子位置和目標位置。


眾所周知,MOSFET和IGBT等經(jīng)常用在電源系統中，常見(jiàn)的伺服驅動(dòng)H橋電路的門(mén)驅動(dòng)器是依靠適合H橋的MOSFET或IGBT開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)的控制邏輯(例如,微控制器或DSP)來(lái)推動(dòng)TTL或CMOS低和高側的PWM整流信號所產(chǎn)生。通常情況下，由于退化或瞬態(tài)電氣條件，柵極驅動(dòng)器集成電路的失效是表現在開(kāi)路條件對驅動(dòng)器的輸出，例如使用過(guò)程中破壞性的抖動(dòng)。同樣地，如溫度和振動(dòng)應力等環(huán)境因素，也可導致H橋柵極驅動(dòng)器集成電路斷路故障的。

Ridgetop-GroupRingdown技術(shù)到底怎樣實(shí)現的呢?如圖5.伺服驅動(dòng)器通常包括一個(gè)來(lái)控制反饋環(huán)路和整體系統的反應的嵌入式微控制器單元控制器（MCU）或數字信號處理器（DSP）。集成了通用輸入/輸出，數據轉換器，通信接口和充裕的記憶體。微控制器或DSP將管理由傳感器獲得的抖動(dòng)產(chǎn)生/響應和將機動(dòng)致動(dòng)器的健康數據傳到故障預測的遙感勘測中心，以至于預測后遙測治理。原始預測后的數據將用于由飛行控制或對地面維修人員遠程分析。當前在航天航空領(lǐng)域，無(wú)論是否有故障，非常困難的和昂貴的檢查是不可少的，航天器因為維修原因經(jīng)常拆除和更換。更復雜的是，很多在飛行記錄中許多問(wèn)題在地面復測時(shí)不能再次復制，并因此被視為“無(wú)法重復”或“無(wú)麻煩發(fā)現”（NTF）。最壞的是，故障預測技術(shù)將通過(guò)支持條件為基礎的維修工程有助于減輕這種昂貴的診斷/維修周期。最好的是，故障預測的啟用可以幫助飛行員避免災害。在任何情況下，有效的預測后傳感技術(shù)與強大的故障預測健康管理工具使維修費用減少。

圖5Ringdown模塊

IV.Ringdown解決方案特點(diǎn)和優(yōu)勢

正常情況下，電源系統使用閉環(huán)反饋來(lái)保持電壓或電流的穩定.。當電源系統仍然處于穩定時(shí)，一些時(shí)間或老化相關(guān)的因素對內部器件造成的變化，造成電源電源系統供給將要失效。Ringdown解決方案是在外部通過(guò)對電源系統或其負載變化進(jìn)行瞬時(shí)的監控，在電源系統的性能還沒(méi)有顯著(zhù)的下降時(shí)就可以檢測到故障將要發(fā)生的特征，用戶(hù)可以根據Ringdown的反應提前采取相應的措施。

1)RingDown解決方案可以精確地預測電源的損耗并判斷其健康狀態(tài)(State-ofHealth)和剩余壽命(RemainingUsefulLife)。通過(guò)一個(gè)中央節點(diǎn)對位于電路板上的傳感器進(jìn)行信息收集來(lái)實(shí)現資產(chǎn)管理.

2）減少電源系統在應用中的故障

當電子系統的電源系統失效時(shí)，可能造成較大經(jīng)濟損失和客戶(hù)對產(chǎn)品較低的評價(jià)。Ridgetop-GroupRingdown解決方案可以精確地預測將要發(fā)生的電源失效,用戶(hù)可以在其失效之前就采取措施，避免用戶(hù)的重大損失。



3）即插即用式安裝,不需要修改用戶(hù)電路

一個(gè)類(lèi)似于專(zhuān)用外部傳感器可以直接插裝在用戶(hù)電路板上，不需要修改用戶(hù)電路。利用特殊的技術(shù)來(lái)提取測量值和判定控制電路的特性。

１．可以快速對電源進(jìn)行在線(xiàn)或離線(xiàn)測試.

２．減少整體測試成本.


V.遠程監控電源系統的特性

Ringdown故障預測系統將檢測到的電源損耗特性可以連接到用戶(hù)的大網(wǎng)絡(luò )上，大網(wǎng)絡(luò )可以用來(lái)提供動(dòng)態(tài)的器件庫存信息，從而提供整個(gè)系統健康狀況和剩余壽命。同時(shí)美國銳拓集團公司的“哨兵健康管理”系統可以提供一個(gè)圖形用戶(hù)界面，可以使用戶(hù)實(shí)時(shí)觀(guān)察電源系統的信號幅度和其他的反饋。即Ringdown解決方案包括了硬件支持和軟件支持。


VI.結論

Ringdown解決方案可以在電源系統的性能顯著(zhù)下降之前檢測到損耗特征。拓撲的獨立性使其可以應用在多種電源上。包括軍工、汽車(chē)和醫療設備等。目前，該解決方案已經(jīng)被NASA，AirForce，Daimler等采用。