電源故障預(yù)測

I. 電子系統(tǒng)的故障預(yù)測技術(shù)定義 

故障是產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能或性能退化導(dǎo)致不能滿足規(guī)定要求的狀態(tài)。電子系統(tǒng)的故障預(yù)測技術(shù)是以當(dāng)前電子系統(tǒng)的使用狀態(tài)為起點(diǎn)，對將來可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)預(yù)測到故障時(shí)及時(shí)向用戶提出警告，以便用戶能夠采取措施避免重大惡性事故發(fā)生,對現(xiàn)行的系統(tǒng)管理和維修制度具有開創(chuàng)性的作用，達(dá)到及時(shí)的故障預(yù)測和對電子系統(tǒng)有效的健康管理。故障預(yù)測技術(shù)是實(shí)時(shí)地監(jiān)控系統(tǒng)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(jù), 并且它區(qū)別于故障診斷(事后維修)。

 

采用故障預(yù)測技術(shù)有很多好處。據(jù)NAVAIR統(tǒng)計(jì), 在支援設(shè)備上有6%到10%的節(jié)省,在必要的人力支持方面有46%到52%的節(jié)省，在美國商業(yè)電信部門，最近的一項(xiàng)分析表明，故障預(yù)測系統(tǒng)的啟用導(dǎo)致OEM電力系統(tǒng)的33%投資回報(bào)率（ROI）。 故障預(yù)測或預(yù)測的診斷方法可以讓用戶檢測到退化的被監(jiān)察電子模塊。通過預(yù)先警告即將發(fā)生磨損，可進(jìn)行以條件為基礎(chǔ)的維修。在這期間，故障預(yù)測也可以支持動(dòng)態(tài)切換到備份系統(tǒng)，或通過切負(fù)荷計(jì)劃，或其他閉環(huán)控制措施，以確保任務(wù)圓滿成功。 

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

 
故障預(yù)測技術(shù)最初是為機(jī)械的應(yīng)用發(fā)展起來的，并在直升機(jī)和復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)與HUMS子系統(tǒng)里所采用。由于要監(jiān)測的組成部分不同，其特征值，時(shí)間常數(shù)，和斷斷續(xù)續(xù)性的存在 ，電子故障預(yù)測技術(shù)需要獨(dú)特的創(chuàng)新提供類似的能力。電子故障預(yù)測技術(shù)尤為寶貴，尤其是在運(yùn)行準(zhǔn)備很重要和停機(jī)費(fèi)用昂貴等關(guān)鍵系統(tǒng)。比如說: FADEC飛行控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng),動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字CPU板等。 

 

采用電子故障預(yù)測技術(shù)需要監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分的行為。這種行為可以用被監(jiān)控的傳感器，例如Ridgetop-Group SJ-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(xù)續(xù)的現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測;后者主要是對電源系統(tǒng)壽命的監(jiān)測。

圖2. PCB或模塊可以啟用故障預(yù)測
 

 

在PCB或模塊上可以啟用故障預(yù)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(jiān)測, 尤其是對PCB板上焊接球斷裂造成的系統(tǒng)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象的監(jiān)測; IC的NBTI, TDDB等單元是對芯片本身壽命的故障預(yù)測; 電源傳感器是對電源壽命的監(jiān)測,即Ringdown™。在圖2.中關(guān)鍵模塊可以用來監(jiān)測或觀察使用現(xiàn)有的傳感器點(diǎn)，或者由另外的傳感器來監(jiān)測或觀察。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(tǒng)。 

II. 電源系統(tǒng)的故障預(yù)測技術(shù)- Ringdown™

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

1.        符合安全規(guī)范
2．能帶動(dòng)大容性負(fù)載, 電子系統(tǒng)可以有很多去耦電容.
3．從空載到滿載能穩(wěn)定運(yùn)行,模塊插卡式設(shè)備,模塊數(shù)量和功耗不同
4．純電阻負(fù)載到大容性負(fù)載能穩(wěn)定運(yùn)行
5．空載突變到滿載或滿載到空載, 電壓下跌量小,恢復(fù)時(shí)間短
6．起動(dòng)時(shí),電壓無超調(diào)或電壓超調(diào)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
10．工作環(huán)境溫度范圍廣,低溫下空載,高溫下滿載長時(shí)間運(yùn)行
11．符合EMC標(biāo)準(zhǔn)
12．能驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)超過載(脈沖負(fù)載)
13．負(fù)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.  出廠前老化 

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

III. Ringdown™ 技術(shù)的介紹

機(jī)電致動(dòng)器，如線性驅(qū)動(dòng)器，在許多航空航天應(yīng)用，包括軍用和商用飛機(jī), 正在取代其液壓對應(yīng)的單元。降低整體的載重和消除液體的泄漏的問題，有助于降低運(yùn)營和維護(hù)費(fèi)用。也許機(jī)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(tǒng)的故障預(yù)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(tǒng)的故障預(yù)測發(fā)展而來的，能夠適應(yīng)于象服務(wù)于飛機(jī)的機(jī)電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的伺服環(huán)路。

下面介紹一個(gè)對直流電機(jī)的監(jiān)測的例子來說明Ringdown™。


圖 3 無刷電機(jī)/機(jī)電致動(dòng)器伺服環(huán)路 
  

圖3. 是直流電動(dòng)機(jī)伺服環(huán)路圖，是利用位置反饋所提供的解析器或執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的霍爾傳感器。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的錯(cuò)誤可以被分析，以評估H橋電路共同的無刷直流電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)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(jié)果。 圖4a ）揭示轉(zhuǎn)子位置和當(dāng)H橋電路的所有組成部分是健康狀態(tài)時(shí)的錯(cuò)誤對比。當(dāng)H橋正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)子位置密切跟蹤目標(biāo)位置，在命令指揮方向改變以前，幾乎為零錯(cuò)誤，即轉(zhuǎn)子位置和目標(biāo)位置是匹配的。H橋功率級也包括了MOSFET的開關(guān)，對于三相無刷直流電動(dòng)機(jī)，有三對MOSFET的開關(guān)。利用脈沖寬度調(diào)制（ PWM ）技術(shù)， MOSFET的開關(guān)控制通過線圈繞組的電流和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)?；旧希揽空{(diào)節(jié)PWM信號的占空比來改變轉(zhuǎn)子的方向或在命令位置穩(wěn)定的保持。50 ％的PWM占空比沒有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，少于百分之五十的占空比運(yùn)動(dòng)在一個(gè)方向（如順時(shí)針方向） ，而多于50 ％的占空比運(yùn)動(dòng)在反方向(如逆時(shí)針方向)。圖4b 說明的是一個(gè)單一階段的H橋的一個(gè)MOSFET退化的效果（例如，增加了內(nèi)部電阻）。對比圖4a.可以看出，轉(zhuǎn)子位置大于模擬的目標(biāo)位置。當(dāng)方向改變的命令下達(dá)時(shí)，轉(zhuǎn)子位置輕微地超過目標(biāo)位置，經(jīng)過補(bǔ)償，然后再嘗試遵從目標(biāo)位置。圖4b.錯(cuò)誤的曲線圖揭示了異?？刂苹芈返男袨?。錯(cuò)誤的曲線圖是由于退化的MOSFET開關(guān)造成的。這導(dǎo)致正常轉(zhuǎn)子為了回應(yīng)指揮位置變化要快的多，以及抵消觀察與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置和目標(biāo)位置。

 
眾所周知, MOSFET和IGBT等經(jīng)常用在電源系統(tǒng)中，常見的伺服驅(qū)動(dòng)H橋電路的門驅(qū)動(dòng)器是依靠適合H橋的MOSFET或IGBT開關(guān)的驅(qū)動(dòng)的控制邏輯(例如,微控制器或DSP)來推動(dòng)TTL或CMOS低和高側(cè)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(qū)動(dòng)器集成電路的失效是表現(xiàn)在開路條件對驅(qū)動(dòng)器的輸出，例如使用過程中破壞性的抖動(dòng)。同樣地，如溫度和振動(dòng)應(yīng)力等環(huán)境因素，也可導(dǎo)致H橋柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路斷路故障的。 

Ridgetop-Group Ringdown™ 技術(shù)到底怎樣實(shí)現(xiàn)的呢? 如圖5.伺服驅(qū)動(dòng)器通常包括一個(gè)來控制反饋環(huán)路和整體系統(tǒng)的反應(yīng)的嵌入式微控制器單元控制器（ MCU ）或數(shù)字信號處理器（ DSP ）。集成了通用輸入/輸出，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(yīng)和將機(jī)動(dòng)致動(dòng)器的健康數(shù)據(jù)傳到故障預(yù)測的遙感勘測中心，以至于預(yù)測后遙測治理。原始預(yù)測后的數(shù)據(jù)將用于由飛行控制或?qū)Φ孛婢S修人員遠(yuǎn)程分析。當(dāng)前在航天航空領(lǐng)域，無論是否有故障，非常困難的和昂貴的檢查是不可少的，航天器因?yàn)榫S修原因經(jīng)常拆除和更換。更復(fù)雜的是，很多在飛行記錄中許多問題在地面復(fù)測時(shí)不能再次復(fù)制，并因此被視為“無法重復(fù)” 或“無麻煩發(fā)現(xiàn)” （ NTF ）。最壞的是， 故障預(yù)測技術(shù)將通過支持條件為基礎(chǔ)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(yù)測的啟用可以幫助飛行員避免災(zāi)害。在任何情況下，有效的預(yù)測后傳感技術(shù)與強(qiáng)大的故障預(yù)測健康管理工具使維修費(fèi)用減少。 

圖 5 Ringdown™ 模塊 
  

IV. Ringdown™ 解決方案特點(diǎn)和優(yōu)勢

正常情況下，電源系統(tǒng)使用閉環(huán)反饋來保持電壓或電流的穩(wěn)定.。當(dāng)電源系統(tǒng)仍然處于穩(wěn)定時(shí)，一些時(shí)間或老化相關(guān)的因素對內(nèi)部器件造成的變化，造成電源電源系統(tǒng)供給將要失效。Ringdown™解決方案是在外部通過對電源系統(tǒng)或其負(fù)載變化進(jìn)行瞬時(shí)的監(jiān)控，在電源系統(tǒng)的性能還沒有顯著的下降時(shí)就可以檢測到故障將要發(fā)生的特征， 用戶可以根據(jù)Ringdown™的反應(yīng)提前采取相應(yīng)的措施。

1) RingDown解決方案可以精確地預(yù)測電源的損耗并判斷其健康狀態(tài)(State-of Health)和剩余壽命(Remaining Useful Life)。通過一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)對位于電路板上的傳感器進(jìn)行信息收集來實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理.

2）減少電源系統(tǒng)在應(yīng)用中的故障

當(dāng)電子系統(tǒng)的電源系統(tǒng)失效時(shí)，可能造成較大經(jīng)濟(jì)損失和客戶對產(chǎn)品較低的評價(jià)。Ridgetop-Group Ringdown™解決方案可以精確地預(yù)測將要發(fā)生的電源失效, 用戶可以在其失效之前就采取措施，避免用戶的重大損失。

 

3）即插即用式安裝,不需要修改用戶電路

一個(gè)類似于專用外部傳感器可以直接插裝在用戶電路板上，不需要修改用戶電路。利用特殊的技術(shù)來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)行在線或離線測試.

２．減少整體測試成本. 

 
V. 遠(yuǎn)程監(jiān)控電源系統(tǒng)的特性

Ringdown™故障預(yù)測系統(tǒng)將檢測到的電源損耗特性可以連接到用戶的大網(wǎng)絡(luò)上，大網(wǎng)絡(luò)可以用來提供動(dòng)態(tài)的器件庫存信息，從而提供整個(gè)系統(tǒng)健康狀況和剩余壽命。同時(shí)美國銳拓集團(tuán)公司的“哨兵健康管理”系統(tǒng)可以提供一個(gè)圖形用戶界面，可以使用戶實(shí)時(shí)觀察電源系統(tǒng)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(jié)論

Ringdown™解決方案可以在電源系統(tǒng)的性能顯著下降之前檢測到損耗特征。拓?fù)涞莫?dú)立性使其可以應(yīng)用在多種電源上。包括軍工、汽車和醫(yī)療設(shè)備等。目前，該解決方案已經(jīng)被NASA， Air Force，Daimler等采用。