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，對將來可能出現(xiàn)的故障進行預(yù)測，當(dāng)預(yù)測到故障時及時向用戶提出警告，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，達到及時的故障預(yù)測和對電子系統(tǒng)有效的健康管理。故障預(yù)測技術(shù)是實時地監(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,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)測也可以支持動態(tài)切換到備份系統(tǒng)，或通過切負荷計劃，或其他閉環(huán)控制措施，以確保任務(wù)圓滿成功。



系統(tǒng)的壽命通常認為，一個浴缸曲線模型，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)點一樣。這個故障預(yù)測觸發(fā)點，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)的初期隨著時間的延長,失效速率是逐漸降低的,這個階段,容易發(fā)生早期失效；隨著時間的推移,系統(tǒng)進入穩(wěn)定期,也就是有用壽命期,這里會發(fā)生隨機失效；當(dāng)進入退化期,退化失效速率是隨時間而升高的。故障預(yù)測觸發(fā)點設(shè)置在有用壽命期期間,不讓系統(tǒng)進入退化期。


故障預(yù)測技術(shù)最初是為機械的應(yīng)用發(fā)展起來的，并在直升機和復(fù)雜的機械系統(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，尤其是在運行準備很重要和停機費用昂貴等關(guān)鍵系統(tǒng)。比如說:FADEC飛行控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng),動力系統(tǒng)，驅(qū)動器和數(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-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(xù)續(xù)的現(xiàn)象進行監(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，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)的特點可以概括成下列幾條：

1.符合安全規(guī)范
2．能帶動大容性負載,電子系統(tǒng)可以有很多去耦電容.
3．從空載到滿載能穩(wěn)定運行,模塊插卡式設(shè)備,模塊數(shù)量和功耗不同
4．純電阻負載到大容性負載能穩(wěn)定運行
5．空載突變到滿載或滿載到空載,電壓下跌量小,恢復(fù)時間短
6．起動時,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,高溫下滿載長時間運行
11．符合EMC標準
12．能驅(qū)動瞬時超過載(脈沖負載)
13．負載短路時能自動進入恒流狀態(tài),短路故障去除,能自動進入恒壓.
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,也會發(fā)生隨機失效。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)電路進行任何改動就可以實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的健康狀況實時監(jiān)控,其性能遠超過現(xiàn)行的靜態(tài)電流負載測試方法。

III.Ringdown技術(shù)的介紹

機電致動器，如線性驅(qū)動器，在許多航空航天應(yīng)用，包括軍用和商用飛機,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，有助于降低運營和維護費用。也許機電致動器的采用的一個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)于飛機的機電致動器的運動控制系統(tǒng)的伺服環(huán)路。

下面介紹一個對直流電機的監(jiān)測的例子來說明Ringdown。


圖3無刷電機/機電致動器伺服環(huán)路


圖3.是直流電動機伺服環(huán)路圖，是利用位置反饋所提供的解析器或執(zhí)行運動的霍爾傳感器。運動控制系統(tǒng)的錯誤可以被分析，以評估H橋電路共同的無刷直流電動機伺服驅(qū)動器的健康狀況（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)時的錯誤對比。當(dāng)H橋正常工作時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置和目標位置是匹配的。H橋功率級也包括了MOSFET的開關(guān)，對于三相無刷直流電動機，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?；旧?，依靠調(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)生運動，少于百分之五十的占空比運動在一個方向（如順時針方向），而多于50％的占空比運動在反方向(如逆時針方向)。圖4b說明的是一個單一階段的H橋的一個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位置。當(dāng)方向改變的命令下達時，轉(zhuǎn)子位置輕微地超過目標位置，經(jīng)過補償，然后再嘗試遵從目標位置。圖4b.錯誤的曲線圖揭示了異常控制回路的行為。錯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，以及抵消觀察與實際轉(zhuǎn)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(tǒng)中，常見的伺服驅(qū)動H橋電路的門驅(qū)動器是依靠適合H橋的MOSFET或IGBT開關(guān)的驅(qū)動的控制邏輯(例如,微控制器或DSP)來推動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)動器集成電路的失效是表現(xiàn)在開路條件對驅(qū)動器的輸出，例如使用過程中破壞性的抖動。同樣地，如溫度和振動應(yīng)力等環(huán)境因素，也可導(dǎo)致H橋柵極驅(qū)動器集成電路斷路故障的。

Ridgetop-GroupRingdown技術(shù)到底怎樣實現(xiàn)的呢?如圖5.伺服驅(qū)動器通常包括一個來控制反饋環(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產(chǎn)生/響應(yīng)和將機動致動器的健康數(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，航天器因為維修原因經(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)與強大的故障預(yù)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，一些時間或老化相關(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)或其負載變化進行瞬時的監(jiān)控，在電源系統(tǒng)的性能還沒有顯著的下降時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-ofHealth)和剩余壽命(RemainingUsefulLife)。通過一個中央節(jié)點對位于電路板上的傳感器進行信息收集來實現(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，可能造成較大經(jīng)濟損失和客戶對產(chǎn)品較低的評價。Ridgetop-GroupRingdown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．可以快速對電源進行在線或離線測試.

２．減少整體測試成本.


V.遠程監(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)可以用來提供動態(tài)的器件庫存信息，從而提供整個系統(tǒng)健康狀況和剩余壽命。同時美國銳拓集團公司的“哨兵健康管理”系統(tǒng)可以提供一個圖形用戶界面，可以使用戶實時觀察電源系統(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。拓撲的獨立性使其可以應(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，AirForce，Daimler等采用。