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摘要：某型横滚角速率测量组件在首飞安全试验中的温度-高度试验中出现产品信号无输出故障现象，通过现场确认、故障定位、机理分析和复现验证，对故障进行了剖析，探寻故障产生的根源，提出了改进措施，并在实际应用中验证了措施的有效性。
关键词：电源模块；带载能力；功耗；故障树
Keywords：power module；load capacity；power consumption；fault tree
1 故障情况
横滚角速率测量组件的主要功能是将测量得到的三轴角速率、三轴加速度信息和解算得到的俯仰、倾斜角信息发送给飞控计算机。横滚角速率测量组件由三轴陀螺、三个单轴加速度计、解算板、接口板、电源板和机箱组成，如图1所示。
横滚角速率测量组件在进行首飞安全试验中的温度—高度试验时，当试验进行至环境温度85℃、高度为地面时出现产品信号无输出的故障现象。故障时28V消耗电流变为0.13A，明显低于横滚角速率测量组件正常工作的消耗电流。横滚角速率测量组件正常工作时，28V消耗电流应不低于0.2A。
2 故障定位及分析
横滚角速率测量组件主要实现对飞机横滚角速率信息的采集与上报，横滚角速率测量组件内部功能模块包括传感器（陀螺和加表等）、信号采集电路、FPGA功能电路、DSP功能电路、飞控通信功能电路、电源六个部分，如图2所示。
传感器主要用于感测横滚角速率测量组件的角速率、加速度等信息；信号采集电路主要实现将各传感器感测的信号转换成FPGA功能电路能够识别的数据；FPGA功能电路主要实现信号接收与发送功能，该功能由FPGA芯片及其外围电路实现；DSP功能电路主要实现对FPGA发送的原始数据进行数据解算，从而得到飞机的姿态信息、补偿后的三轴角速率信息及三轴加速度信息；飞控通信功能电路主要实现横滚角速率测量组件与飞控计算机之间的HB 6096数据通信，该通信功能通过ARINC 429芯片实现；电源部分为整个横滚角速率测量组件提供能量输入。
依据故障现象，分析得出导致该故障现象的可能原因，包含电源模块无28V输入、电源模块故障、电源转换芯片故障、ARINC 429芯片、FPGA故障，由此建立故障树（见图3）。
2.1 电源模块无28V输入排查
故障时，使用万用表测试滤波器输出及电源模块的28V输入，测得值均为28V，满足电源模块12～35V的输入要求，可排除底事件EVENT1、EVENT2。
2.2 电源模块故障排查
EVENT3——28V转5V失效排查：故障时，万用表测试电源模块输出的5V电压下降至3.3V。相同条件下，断开后级负载电路后单独测试电源模块，万用表测得电源模块输出的5V电压值为4.96V，暂无法排除该底事件。
EVENT4——28V转±15V失效排查：故障时，万用表测试电源模块输出的±15V电压，测得值分别为14.95V和-14.9V，符合模块±（15±0.15）V的输出要求，该底事件可排除。
2.3 电源转换芯片故障排查
EVENT5——5V转3.3V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片D7的输出，3.3V电压下降至1.2V。
EVENT6——5V转2.5V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N1的输出，2.5V电压下降至0.82V。
EVENT7——5V转1.8V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N2的输出，1.8V电压下降至0.56V。
EVENT8——5V转1.26V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N4的输出，1.26V电压下降至0.37V。
EVENT9——5V转1V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N3的输出，1V电压下降至0.27V。
因电源模块5V输出已经发生掉压，且低于电源转换芯片的输入范围，会导致电源转换芯片输出电压下降，故断开产品电源模块5V输出信号，直接用5V稳压源给后级负载电路供电，在85℃条件下测试电源转换芯片D7、N1～N4的输出均在正常范围内，故可以排除底事件EVENT5～EVENT9。
2.4 ARINC429芯片故障排查
EVENT10——ARINC429芯片故障排查：故障时，测试ARINC429芯片JHI8586无输入；断开产品电源模块5V输出信号，直接用5V稳压源给后级负载电路供电，测试软件显示产品输出正常，该底事件可排除。
2.5 FPGA故障排查
故障时，测试FPGA芯片无输出，断开产品电源模块5V输出信号，直接用5V稳压源给后级负载电路供电，测试软件显示FPGA输出正常，可排除底事件EVENT11、EVENT12。
2.6 故障定位
通过底事件排查過程，可以确定85℃高温时产品信号无输出故障是由电源模块输出5V电压下降导致的。组件所选电源模块ZHDC19T0515/8W的5V输出能力只有1A。断开产品电源模块5V输出信号，在85℃高温条件下直接用5V稳压源给后级负载电路供电，监控5V输出的消耗电流，电流钳测得值在1.12A左右，超出了电源模块5V输出的带载能力。因此，85℃高温时产品信号无输出故障是由于电源模块5V带载能力不足导致的。
3 故障原因分析
机上28V直流电源进入电源板后，通过电源防反接保护、滤波网络后，通过电源模块将28V直流电源转换为±15V和+5V直流电源，然后通过接插件供给解算板、接口板、三轴陀螺及3个加速度计。原理框图如图4所示。 电源模块选用XX/8W型标准模块，具有5V-1A、15V-0.1A、-15V-0.1A的輸出能力，如表1所示。
对已交付产品实际消耗电流进行梳理统计（见表2），可见横滚角速率测量组件5V输出消耗电量随温度升高明显，在高温70℃时5V输出电流已逼近输出能力。故下面重点分析电源模块5V带载能力。
横滚角速率测量组件5V电源输出主要用于为FPGA、DSP、三轴陀螺仪、加速度计供电，产品常温工作及高温85℃工作时电源模块5V带载情况如表3所示。
由表2～表3可知，产品5V输出带载的FPGA芯片、DSP芯片、陀螺、加表的功耗随着温度的升高都会有一定程度的增加。其中，FPGA功耗随温度升高而增加的特性表现尤为显著。
85℃条件下，仅FPGA即需要2.265W的功耗，由表3可见电源模块5V输出带载的总功耗不低于5.6W，而提供二次电源的模块5V输出能力只有5W的额定功耗输出能力，小于需要的功耗，进一步说明其带载能力不足，导致在85℃条件下，FPGA无法启动，无法正常向ARINC 429接口芯片发送控制信号，使产品无法输出信号。
4 故障复现及纠正措施
故障件断电，恢复到常温，重新上电，产品能够正常工作，功能性能符合技术协议要求。升温到70℃，对产品进行功能性能测试，符合技术协议要求。恢复环境温度85℃，通电后正常工作约10min后，故障复现。
采取纠正措施，增加电源模块的输出能力，采用两个电源模块实现28V转5V和28V转±15V的功能。依据表2中5V功耗理论计算结果，28V转5V功能所选电源模块XX/3W输出电流能力2A，纹波35mV；理论计算得出±15V功耗不超过1.3W，故28V转±15V功能所选电源模块XX/10W电流输出能力0.1A，能力保持不变。
对采取改进措施后的横滚角速率测量组件进行70℃和85℃的工作试验。试验结果表明，更换了增加电源模块的电源板后，产品符合协议要求。试验及后期装机使用过程中均未再出现该故障。
5 结论
此次横滚角速率测量组件高温无输出故障，暴露出产品的设计缺陷，提示设计人员在设计过程中应对产品性能进行充分的论证、仿真及验证，重视验证试验。方案设计过程中应重视元器件选型分析，预留合适的设计余量，以有效提高产品设计质量。
作者简介
李妍，硕士，工程师，研究方向：导航、制导与控制。
关键词：电源模块；带载能力；功耗；故障树
Keywords：power module；load capacity；power consumption；fault tree
1 故障情况
横滚角速率测量组件的主要功能是将测量得到的三轴角速率、三轴加速度信息和解算得到的俯仰、倾斜角信息发送给飞控计算机。横滚角速率测量组件由三轴陀螺、三个单轴加速度计、解算板、接口板、电源板和机箱组成，如图1所示。
横滚角速率测量组件在进行首飞安全试验中的温度—高度试验时，当试验进行至环境温度85℃、高度为地面时出现产品信号无输出的故障现象。故障时28V消耗电流变为0.13A，明显低于横滚角速率测量组件正常工作的消耗电流。横滚角速率测量组件正常工作时，28V消耗电流应不低于0.2A。
2 故障定位及分析
横滚角速率测量组件主要实现对飞机横滚角速率信息的采集与上报，横滚角速率测量组件内部功能模块包括传感器（陀螺和加表等）、信号采集电路、FPGA功能电路、DSP功能电路、飞控通信功能电路、电源六个部分，如图2所示。
传感器主要用于感测横滚角速率测量组件的角速率、加速度等信息；信号采集电路主要实现将各传感器感测的信号转换成FPGA功能电路能够识别的数据；FPGA功能电路主要实现信号接收与发送功能，该功能由FPGA芯片及其外围电路实现；DSP功能电路主要实现对FPGA发送的原始数据进行数据解算，从而得到飞机的姿态信息、补偿后的三轴角速率信息及三轴加速度信息；飞控通信功能电路主要实现横滚角速率测量组件与飞控计算机之间的HB 6096数据通信，该通信功能通过ARINC 429芯片实现；电源部分为整个横滚角速率测量组件提供能量输入。
依据故障现象，分析得出导致该故障现象的可能原因，包含电源模块无28V输入、电源模块故障、电源转换芯片故障、ARINC 429芯片、FPGA故障，由此建立故障树（见图3）。
2.1 电源模块无28V输入排查
故障时，使用万用表测试滤波器输出及电源模块的28V输入，测得值均为28V，满足电源模块12～35V的输入要求，可排除底事件EVENT1、EVENT2。
2.2 电源模块故障排查
EVENT3——28V转5V失效排查：故障时，万用表测试电源模块输出的5V电压下降至3.3V。相同条件下，断开后级负载电路后单独测试电源模块，万用表测得电源模块输出的5V电压值为4.96V，暂无法排除该底事件。
EVENT4——28V转±15V失效排查：故障时，万用表测试电源模块输出的±15V电压，测得值分别为14.95V和-14.9V，符合模块±（15±0.15）V的输出要求，该底事件可排除。
2.3 电源转换芯片故障排查
EVENT5——5V转3.3V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片D7的输出，3.3V电压下降至1.2V。
EVENT6——5V转2.5V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N1的输出，2.5V电压下降至0.82V。
EVENT7——5V转1.8V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N2的输出，1.8V电压下降至0.56V。
EVENT8——5V转1.26V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N4的输出，1.26V电压下降至0.37V。
EVENT9——5V转1V失效排查：故障时，万用表测试电源转换芯片N3的输出，1V电压下降至0.27V。
因电源模块5V输出已经发生掉压，且低于电源转换芯片的输入范围，会导致电源转换芯片输出电压下降，故断开产品电源模块5V输出信号，直接用5V稳压源给后级负载电路供电，在85℃条件下测试电源转换芯片D7、N1～N4的输出均在正常范围内，故可以排除底事件EVENT5～EVENT9。
2.4 ARINC429芯片故障排查
EVENT10——ARINC429芯片故障排查：故障时，测试ARINC429芯片JHI8586无输入；断开产品电源模块5V输出信号，直接用5V稳压源给后级负载电路供电，测试软件显示产品输出正常，该底事件可排除。
2.5 FPGA故障排查
故障时，测试FPGA芯片无输出，断开产品电源模块5V输出信号，直接用5V稳压源给后级负载电路供电，测试软件显示FPGA输出正常，可排除底事件EVENT11、EVENT12。
2.6 故障定位
通过底事件排查過程，可以确定85℃高温时产品信号无输出故障是由电源模块输出5V电压下降导致的。组件所选电源模块ZHDC19T0515/8W的5V输出能力只有1A。断开产品电源模块5V输出信号，在85℃高温条件下直接用5V稳压源给后级负载电路供电，监控5V输出的消耗电流，电流钳测得值在1.12A左右，超出了电源模块5V输出的带载能力。因此，85℃高温时产品信号无输出故障是由于电源模块5V带载能力不足导致的。
3 故障原因分析
机上28V直流电源进入电源板后，通过电源防反接保护、滤波网络后，通过电源模块将28V直流电源转换为±15V和+5V直流电源，然后通过接插件供给解算板、接口板、三轴陀螺及3个加速度计。原理框图如图4所示。 电源模块选用XX/8W型标准模块，具有5V-1A、15V-0.1A、-15V-0.1A的輸出能力，如表1所示。
对已交付产品实际消耗电流进行梳理统计（见表2），可见横滚角速率测量组件5V输出消耗电量随温度升高明显，在高温70℃时5V输出电流已逼近输出能力。故下面重点分析电源模块5V带载能力。
横滚角速率测量组件5V电源输出主要用于为FPGA、DSP、三轴陀螺仪、加速度计供电，产品常温工作及高温85℃工作时电源模块5V带载情况如表3所示。
由表2～表3可知，产品5V输出带载的FPGA芯片、DSP芯片、陀螺、加表的功耗随着温度的升高都会有一定程度的增加。其中，FPGA功耗随温度升高而增加的特性表现尤为显著。
85℃条件下，仅FPGA即需要2.265W的功耗，由表3可见电源模块5V输出带载的总功耗不低于5.6W，而提供二次电源的模块5V输出能力只有5W的额定功耗输出能力，小于需要的功耗，进一步说明其带载能力不足，导致在85℃条件下，FPGA无法启动，无法正常向ARINC 429接口芯片发送控制信号，使产品无法输出信号。
4 故障复现及纠正措施
故障件断电，恢复到常温，重新上电，产品能够正常工作，功能性能符合技术协议要求。升温到70℃，对产品进行功能性能测试，符合技术协议要求。恢复环境温度85℃，通电后正常工作约10min后，故障复现。
采取纠正措施，增加电源模块的输出能力，采用两个电源模块实现28V转5V和28V转±15V的功能。依据表2中5V功耗理论计算结果，28V转5V功能所选电源模块XX/3W输出电流能力2A，纹波35mV；理论计算得出±15V功耗不超过1.3W，故28V转±15V功能所选电源模块XX/10W电流输出能力0.1A，能力保持不变。
对采取改进措施后的横滚角速率测量组件进行70℃和85℃的工作试验。试验结果表明，更换了增加电源模块的电源板后，产品符合协议要求。试验及后期装机使用过程中均未再出现该故障。
5 结论
此次横滚角速率测量组件高温无输出故障，暴露出产品的设计缺陷，提示设计人员在设计过程中应对产品性能进行充分的论证、仿真及验证，重视验证试验。方案设计过程中应重视元器件选型分析，预留合适的设计余量，以有效提高产品设计质量。
作者简介
李妍，硕士，工程师，研究方向：导航、制导与控制。