基于Simulink的测试电路故障分析

发表时间:2021/7/12   来源:《科学与技术》2021年3月第8期   作者: 何晶1 胡晓将1 李江2
[导读] 测试系统电路发生故障后,依靠传统经验进行故障排查,
        何晶1  胡晓将1  李江2
        1.贵州航天风华精密设备有限公司,贵阳 550009;2.空装成都局驻贵阳地区第一军代表室,贵阳 550009
        
        摘要:测试系统电路发生故障后,依靠传统经验进行故障排查,耗时且难做到全面、一致。采用Simulink构建电路模型,进行仿真分析,结合实际验证,找出故障原因,进而提出改进方法,为后续构建测试系统模型、故障分析奠定基础。
        关键词:故障;电路模型;仿真
        1  引言
        当产品测试出现故障时,不得不依赖技术人员进行故障分析排查,不仅消耗技术人员大量精力的和时间(问题排查少则一两天,多则上月),有时由于假象的缘故,可能导致故障排查方向发生偏离,使得故障排查成为制约产品研制生产进度的瓶颈。寻找行之有效的方法,为解决产品研制生产过程中电气故障排查缓慢、不全面的问题,开展测试系统电气仿真设计成为一条可行之路。
        目前,机械结构虚拟样机已经成熟,但是相较结构仿真设计,电气建模仿真设计工作进展缓慢,为此本文以测试系统某开关电路故障为案例,以MATLAB自带的Simulink仿真模块为平台,构建电路仿真模型,对电路原理进行仿真、验证,对电路缺陷进行分析,模拟可能出现的故障模式,并为后续构建测试系统电气虚拟样机奠定实践基础。
2  测试系统典型开关电路
        测试系统作为产品检测的重要设备,集成手动/自动控制两种控制模式,涵盖供电转换、信号转换、状态转换、通信、信号处理等功能,系统中各组合大量使用机械开关、继电器等机械元器件。机械开关利用簧片触点的吸合、分离实现电路通断,在开关触点吸合和分离过程中必然产生电弧现象,该特性不仅影响开关的使用寿命,特别是触点、簧片寿命,动作过程中产生的电弧现象同样会对开关前后级电路造成影响,轻则信号异常,增大电路中的干扰,造成测试系统对产品性能的误判,重则造成电路损坏。现以某开关电路滤波钽电容烧毁的情况为例,以此开展电路仿真建模、分析,原理见图1。


        如图1所示,该电路采用按钮开关(机械开关)S2控制外部DC/DC提供的24V直流电源,实现电路供电。为消除开关触点吸合、断开产生的电弧现象对开关电路后级电路的干扰,电路在开关后级设计低通滤波电路,外部输入的24V直流电源在经过开关S2后,固体钽电容C1和瓷片电容C2进行滤波(1kHz-100MHz)后对后级的光耦TLP521-4和驱动器ULN2003ADJ供电,当外部检测信号控制光耦前级二极管导通时,光耦后级三极管导通,输出控制信号;控制信号由驱动器ULN2003ADJ驱动输出,进一步驱动后续电路。在实际电路调试和使用过程中,多次发生固体钽电容C1烧毁的故障,且烧毁时机均发生在开关S2闭合瞬间,经多片故障钽电容进行DPA,DPA结果均为受外部反向电压击穿。
        经查阅,固体钽电容具有容量大、充放电迅速、体积小等特点,但其缺点是承受反向耐压能力较低,一般不大于1V,容易发生反向击穿、剧烈燃烧等现象,实际发生的多次钽电容故障均造成电容爆裂燃烧、电路板报废故障。排查过程中,对开关动作时电容C1两端电压进行检测,仅发现在开关接通瞬间,由于电容的充电效应,在电容两端存在正向电压过冲,并未发现反向电压的存在,与钽电容典型故障模式和DPA结果不符合,说明DPA结果与实际电路使用情况存在差异,只能作为器件损坏的机理证明,不能作为电路存在反向电压的证据;而从电流角度分析,加电过程中,受限于无法对过程中承受的冲击电流进行监测,需开展电路仿真分析验证。
3  电路模型构建与仿真
        Simulink作为MATLAB的一个重要工具箱,集成了数字电路、模拟电路、控制等功能,其电气系统仿真模块集,可用于电力、电子系统、电机系统等仿真,建模过程简单明了。以Simulink为平台,结合开关、电容及相应器件的等效电路模型,构建电路模型,见图2。
        

        结合图1和图2,开关S1为单刀单掷机械开关,用于模拟按钮开关,开关簧片在闭合过程中,存在感应电感和感应电容,现象上表现为开关动作时的电弧效应。因此,按钮开关等效模型为纯开关S1+等效电感LS1+等效电容CS1,用脉冲信号对开关的反复闭合/断开操作,模拟人对开关的反复操作。
        电容由于串联等效ESL、串联等效电阻、等效电阻等效应,其等效模型设计为纯电容C1+串联等效电阻ESR+串联等效ESL+绝缘电阻Ri。由于其余器件与故障无关,遂对无关器件进行简化,光耦、驱动器采用其样册等效模型代替。DC24V电源与DC5V电源之间设置感抗无限的大地电感实现隔离。
        进行电路仿真过程中,如图2所示设置虚拟示波器,对开关闭合瞬间开关后级电压、固体钽电容两端电压和固体钽电容支路电流监测。以开关S1闭合为时间0点,在开关S1闭合时,在电容C1两端电压和之路电流随之产生振荡,电压、电流具体见图3和图4。



        如图3和图4所示,起始电压非0和稳态电流的产生是由于电容的绝缘电阻非无穷大造成的。在控制开关动作的瞬间,会在钽电容两端产生较大冲击振荡电压,此现象与实际示波器检测的结果一致;同时,在钽电容支路上随之产生冲击电流。
        根据固体钽电容的特性,其一般不允许加反向电压,更不能在纯交流电路中使用,在无法规避的情况下允许瞬间施加的反向电压不大于1V或额定电压的10%(二者取小,25℃);并且在有反向电压的电路中,一般采用双极性(非极性)钽电容,但只能在极性变换频率不高的直流或脉动电路中使用。
        通过图4所知,虽然电容C1两端未出现电压反向情况,但是通过电容支路电流看出,电容C1在开关闭合瞬间,出现反向电流,根据电容全阻抗计算公式,核查电容C1串联等效电阻ESR为6Ω,串联等效电感ESL为100nH(0.0000001H),电容为10uF(0.00001F),信号频率f为4685Hz,则感抗,容抗,电容全阻抗为6.9Ω,仿真每次开关动作电容C1承受的反向电压为0.07V。但是随着时间的推移、开关反复动作,固体钽电容、开关S1等器件参数的恶化(等效电感、电容恶化),反向电流产生的反向电压可达到百毫安级甚至安级,由此产生的反向电压可达到伏级,只是由于直流标称电压将其湮没。加上电容自身的差异,反向电流成增大趋势导致电容C1两端反向电压加大,累积效应造成电容C1击穿。在实际发生的钽电容击穿故障中,钽电容被击穿也不是突发性的,而是多次使用后发生。
4  电路改进建议
        由于机械式开关、普通继电器等固有的局限性,其触点吸合和断开瞬间,必然产生电弧现象,采用光耦驱动的固态继电器可有效避免该现象。但固态继电器存在外围电路较复杂,且成本较高,不适用对该电路的改进。若采用双极性钽电容,体积较大,无法原位安装,且价格较高,同样不利于电路最小化改进。若取消该钽电容,其电路滤波效果将下降,电路的干扰滤波效能明显降低。
        瓷介电容具有稳定性好,绝缘性好,耐高压的优点,不受电路极性影响,不会产生反向电压击穿的现象,电路中C2为瓷介电容长期使用未出现击穿的现象。但瓷介电容的缺点是单片瓷介电容容量较小,但是采用多片瓷介电容并联形成的支架式瓷介电容,具有串联等效电阻、串联等效电感低、容量大的特点,可完全替代钽电容解决上述问题。电路中将钽电容更换为支架式瓷介电容后,该电路经长期使用,未出现该处电容击穿的现象。
5  结论
        本文利用Simulink构建测试系统典型开关电路的数学模型,通过仿真分析结合实际故障现象,找到电路中开关动作对钽电容的影响,实践证明了电路建模仿真的真实性、可行性,以及改进措施的有效性,降低了后续电路故障排查难度,提高故障分析排查效率;同时作为一项通用技术,能够为后续复杂电路建模,构建电气虚拟样机提供参考。
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