電源故障預測

I. 電子系統(tǒng)的故障預測技術定義 

故障是產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能或性能退化導致不能滿足規(guī)定要求的狀態(tài)。電子系統(tǒng)的故障預測技術是以當前電子系統(tǒng)的使用狀態(tài)為起點，對將來可能出現(xiàn)的故障進行預測，當預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，達到及時的故障預測和對電子系統(tǒng)有效的健康管理。故障預測技術是實時地監(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)。

 

采用故障預測技術有很多好處。據(jù)NAVAIR統(tǒng)計, 在支援設備上有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，故障預測系統(tǒng)的啟用導致OEM電力系統(tǒng)的33%投資回報率（ROI）。 故障預測或預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。通過預先警告即將發(fā)生磨損，可進行以條件為基礎的維修。在這期間，故障預測也可以支持動態(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.的故障預測觸發(fā)點一樣。這個故障預測觸發(fā)點，可以通過“金絲雀”型感應器或由算法所得到。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；當進入退化期, 退化失效速率是隨時間而升高的。故障預測觸發(fā)點設置在有用壽命期期間,不讓系統(tǒng)進入退化期。 

 
故障預測技術最初是為機械的應用發(fā)展起來的，并在直升機和復雜的機械系統(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 ，電子故障預測技術需要獨特的創(chuàng)新提供類似的能力。電子故障預測技術尤為寶貴，尤其是在運行準備很重要和停機費用昂貴等關鍵系統(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。 

 

采用電子故障預測技術需要監(jiān)測系統(tǒng)中的關鍵組成部分的行為。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測
 

 

在PCB或模塊上可以啟用故障預測的，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測; 電源傳感器是對電源壽命的監(jiān)測,即Ringdown™。在圖2.中關鍵模塊可以用來監(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)的故障預測技術- 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知性，應該再加電源系統(tǒng)的故障預測技術- Ringdown™。美國Ridgetop-Group 的Ringdown™解決方案使電源系統(tǒng)的故障預測技術成為可能，它能提高電源系統(tǒng)的可靠性和可維護性與故障的可預測性。 Ringdown™解決方案既然是一種故障預測技術，它也遵從故障預測的普遍原則，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™ 技術的介紹

機電致動器，如線性驅(qū)動器，在許多航空航天應用，包括軍用和商用飛機, 正在取代其液壓對應的單元。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)的故障預測技術的首選。Ridgetop-Group的非侵入式Ringdown™ 技術是為電子電源系統(tǒng)的故障預測發(fā)展而來的，能夠適應于象服務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™ 仿真結果。 圖4a ）揭示轉子位置和當H橋電路的所有組成部分是健康狀態(tài)時的錯誤對比。當H橋正常工作時，轉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，對于三相無刷直流電動機，有三對MOSFET的開關。利用脈沖寬度調(diào)制（ PWM ）技術， MOSFET的開關控制通過線圈繞組的電流和轉子的轉動?；旧希揽空{(diào)節(jié)PWM信號的占空比來改變轉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，轉子位置大于模擬的目標位置。當方向改變的命令下達時，轉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?？刂苹芈返男袨?。錯誤的曲線圖是由于退化的MOSFET開關造成的。這導致正常轉子為了回應指揮位置變化要快的多，以及抵消觀察與實際轉子位置和目標位置。

 
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，如溫度和振動應力等環(huán)境因素，也可導致H橋柵極驅(qū)動器集成電路斷路故障的。 

Ridgetop-Group Ringdown™ 技術到底怎樣實現(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/響應和將機動致動器的健康數(shù)據(jù)傳到故障預測的遙感勘測中心，以至于預測后遙測治理。原始預測后的數(shù)據(jù)將用于由飛行控制或?qū)Φ孛婢S修人員遠程分析。當前在航天航空領域，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。更復雜的是，很多在飛行記錄中許多問題在地面復測時不能再次復制，并因此被視為“無法重復” 或“無麻煩發(fā)現(xiàn)” （ NTF ）。最壞的是， 故障預測技術將通過支持條件為基礎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， 故障預測的啟用可以幫助飛行員避免災害。在任何情況下，有效的預測后傳感技術與強大的故障預測健康管理工具使維修費用減少。 

圖 5 Ringdown™ 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.。當電源系統(tǒng)仍然處于穩(wěn)定時，一些時間或老化相關的因素對內(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™的反應提前采取相應的措施。

1) RingDown解決方案可以精確地預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)在應用中的故障

當電子系統(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-Group Ringdown™解決方案可以精確地預測將要發(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)絡上，大網(wǎng)絡可以用來提供動態(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用在多種電源上。包括軍工、汽車和醫(yī)療設備等。目前，該解決方案已經(jīng)被NASA， Air Force，Daimler等采用。