電源故障預(yù)測(cè)

/電源故障預(yù)測(cè)關(guān)鍵詞:電源故障預(yù)測(cè)I.電子系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)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(cè)技術(shù)是以當(dāng)前電子系統(tǒng)的使用狀態(tài)為起點(diǎn)，對(duì)將來(lái)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)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(duì)現(xiàn)行的系統(tǒng)管理和維修制度具有開(kāi)創(chuàng)性的作用,達(dá)到及時(shí)的故障預(yù)測(cè)和對(duì)電子系統(tǒng)有效的健康管理。故障預(yù)測(cè)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(cè)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(guó)商業(yè)電信部門,最近的一項(xiàng)分析表明,故障預(yù)測(cè)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(cè)或預(yù)測(cè)的診斷方法可以讓用戶檢測(cè)到退化的被監(jiān)察電子模塊。通過(guò)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(cè)也可以支持動(dòng)態(tài)切換到備份系統(tǒng)，或通過(guò)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(guò)早的失效，檢測(cè)失效邊緣的觸發(fā)是可取的，就象圖1.的故障預(yù)測(cè)觸發(fā)點(diǎn)一樣。這個(gè)故障預(yù)測(cè)觸發(fā)點(diǎn)，可以通過(guò)“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(zhǎng)，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(cè)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(cè)技術(shù)最初是為機(jī)械的應(yīng)用發(fā)展起來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(shuō)：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(cè)技術(shù)需要監(jiān)測(cè)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－GrｏｕpSJ－BIST和Ringdown?，前者主要是對(duì)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(hào)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)；后者主要是對(duì)電源系統(tǒng)壽命的監(jiān)測(cè)。圖2．PCB或模塊可以啟用故障預(yù)測(cè)在PCB或模塊上可以啟用故障預(yù)測(cè)的,如圖2。所示:SＪ—BIST主要是對(duì)FPＧA或BGＡ在PCB板上焊接球的狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)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(cè)；ＩC的NBＴＩ,TDＤB等單元是對(duì)芯片本身壽命的故障預(yù)測(cè);電源傳感器是對(duì)電源壽命的監(jiān)測(cè),即Ringdｏwn?.在圖2.中關(guān)鍵模塊可以用來(lái)監(jiān)測(cè)或觀察使用現(xiàn)有的傳感器點(diǎn)，或者由另外的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)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(zhǎng)?

10．工作環(huán)境溫度范圍廣，低溫下空載，高溫下滿載長(zhǎng)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(guò)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(píng)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(cè)技術(shù)-Rｉｎgｄowｎ?。美國(guó)Ridgetop—Ｇroup的Ringdowｎ解決方案使電源系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)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(cè)性。Rinｇdowｎ?解決方案既然是一種故障預(yù)測(cè)技術(shù)，它也遵從故障預(yù)測(cè)的普遍原則,即即插即用原則,不需要對(duì)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(duì)電源系統(tǒng)的健康狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，其性能遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)行的靜態(tài)電流負(fù)載測(cè)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(duì)應(yīng)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(yùn)營(yíng)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(cè)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(cè)發(fā)展而來(lái)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(duì)直流電機(jī)的監(jiān)測(cè)的例子來(lái)說(shuō)明Ringdown?。圖3無(wú)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(píng)估Ｈ橋電路共同的無(wú)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(duì)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(jí)也包括了MOＳFＥT的開(kāi)關(guān)，對(duì)于三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，有三對(duì)MOSFＥT的開(kāi)關(guān)。利用脈沖寬度調(diào)制(ＰWM）技術(shù)，MOSFET的開(kāi)關(guān)控制通過(guò)線圈繞組的電流和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng).基本上,依靠調(diào)節(jié)PＷM信號(hào)的占空比來(lái)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(méi)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?lè)较颍?，而多于?％的占空比運(yùn)動(dòng)在反方向（如逆時(shí)針?lè)较颍D４b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(nèi)部電阻）。對(duì)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(guò)目標(biāo)位置,經(jīng)過(guò)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常控制回路的行為。錯(cuò)誤的曲線圖是由于退化的MOＳFEＴ開(kāi)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(jiàn)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(kāi)關(guān)的驅(qū)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(cè)的PWM整流信號(hào)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(kāi)路條件對(duì)驅(qū)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(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—GｒoupＲingdｏwｎ?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(lái)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(hào)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(cè)的遙感勘測(cè)中心,以至于預(yù)測(cè)后遙測(cè)治理。原始預(yù)測(cè)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(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?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(wèn)題在地面復(fù)測(cè)時(shí)不能再次復(fù)制，并因此被視為“無(wú)法重復(fù)”或“無(wú)麻煩發(fā)現(xiàn)”（ＮTF)。最壞的是,故障預(yù)測(cè)技術(shù)將通過(guò)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(cè)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(cè)后傳感技術(shù)與強(qiáng)大的故障預(yù)測(cè)健康管理工具使維修費(fèi)用減少。圖5Ｒiｎgdoｗn?模塊ＩV。Ringdown?解決方案特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)??正常情況下,電源系統(tǒng)使用閉環(huán)反饋來(lái)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(duì)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(guò)對(duì)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(méi)有顯著的下降時(shí)就可以檢測(cè)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(cè)電源的損耗并判斷其健康狀態(tài)（Stａt(yī)ｅ－oｆHeａｌth）和剩余壽命（ＲemaiｎingUsefulＬife）。通過(guò)一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)對(duì)位于電路板上的傳感器進(jìn)行信息收集來(lái)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(duì)產(chǎn)品較低的評(píng)價(jià)。Ridgetoｐ-ＧｒｏuｐＲingｄown?解決方案可以精確地預(yù)測(cè)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(lái)提取測(cè)量值和判定控制電路的特性。

１。可以快速對(duì)電源進(jìn)行在線或離線測(cè)試。?

2．減少整體測(cè)試成本.?

V．遠(yuǎn)程監(jiān)控電源系統(tǒng)的特性?

Ｒingdｏwn?故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)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(lái)提供動(dòng)態(tài)的器件庫(kù)存信息,從而提供整個(gè)系統(tǒng)健