一起“接触不良”导致成品故障的分析与排除_李广辰.pdf

30航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/2装或维护工作而破坏飞机出厂时线缆的捆绑、固定、防护、布局，在施工过程中一定要严格执行相关标准、规范，避免新捆绑的线束出现悬空受力、与周围设备口盖产生干涉、挤压、磨损等问题。杜绝埋下线路安全的隐患。3.4 加强培训、引导，使员工树立正确的维修观关于机上线缆问题，应对员工开展有针对性的培训，使员工熟练掌握机上线缆检查应遵循的标准、规范，检查时机，检查方法，及异常情况的处理等，还应对员工加强思想教育，使员工对线缆问题的成因、危害有清楚的认识，从思想上重视起来，树立以“标准、规范为行动指南”的科学维修观，摒弃“事后维修”的老旧观念，将线缆问题的解决手段变事后维修为事前预防。4 结束语线缆问题事关战机完好率和飞行安全，强化机载线缆维护检查技术要求对于发挥试飞维修专业保障飞行安全、严把维修问题传递具有重要作用。后续应重点开展机载线缆检查标准研究，强化维护检查标准和试验评估标准的建立，并形成标准的维修检查操作程序，在各型机推广应用，特别是特殊环境、特殊科目下的机载线缆维护对策研究，相关技术成果可纳入机务维修用户参考手册，推动交装备向交能力的价值输出。参考文献 1陈光明.电气设备接触不良故障分析与处理 J.设备维修与管理，2015（3）：38.试飞维修保障1 故障概况地面通电检查发现某机平显出现“黑屏”现象，查看故障清单，报“平显与任务处理机间 RS422 通信断”。查看机上平显的供电正常后，更换平显设备，上电检查仍报“平显与任务处理机间 RS422 通信断”。排除平显自身故障后，对机上两台任务处理机及内部 IOM（输入输出处理）模块进行更换检查，在同时更换两台任务处理机内的 IOM模块后故障现象消失。初步定位此次“平显与任务处理机间 RS422 通信断”故障是由两台任务处理机内部 IOM 模块同时故障所致。2 故障定位任务处理机是按照单机配装两台，产生笔画、光栅字符和视频信息处理送平显进行显示，并响应显示、控制设备的操作指令。由电源模块（PSM）、输入输出处理模块（IOM）、视频处理模块（VPM）、主处理模块（HPM）等功能模块组成。其 IOM 模块为任务处理机中的各功能模块提供 PCI-e 交联，具有若干路 RS422/RS485 接口，负责完成与平显、下显等设备的通信工作。依据故障描述，结合产品工作原理进行初步分析，出现此次故障的可能原因包括：1)IOM 模块连接器接触不良，如RS422 接口所在的模块压接连接器由于装配不到位，经一段时间使用后出现插座脱出，或插座与模板插头接触不到位；2)任务处理机端的 RS422 通信电缆断开或接触不良，线缆经过长时间的磨损或由于老化造成松脱、缩针甚至断针；3)PSM 模块输出的 5V 电源电压值超差或无输出，这会导致 RS422 接口芯片供电电压异常，从而导致通信失败；4)IOM 模块 RS422 接口芯片功能失效。针对上述故障原因给出故障树分析，如图 1 所示。一起“接触不良”导致成品故障的分析与排除Analysis and Elimination of Product Failure Caused by Poor Contact 李广辰 蒋江涛 刘彦龙/中国飞行试验研究院摘要：本文从一起外场维护中的故障案例入手，深入分析了“接触不良”或“热插拔”易导致成品故障的内在机理和外部原因，并给出具体解决方案。对从事机务维修保障的外场人员具有借鉴、指导的意义。关键词：插拔；RS422 总线；TBU 管；TVS 管Keywords：hot plug;RS422 bus;TBU tube;TVS tubeDOI:10.19302/ki.1672-0989.2023.02.022 31AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/2 图 1 MMP 与平显间 RS422 通信断故障树根据故障树开展了机上逐步排查，排查情况如下：1)首先对任务处理机的 RS422 通信电缆所在的插头、插座腔体及对应尾附件进行检查，未发现异物，未发现缩针、断针等异常现象，排除故障 X3；2)结合 IOM 模块上所有接口芯片均使用 5V 电源供电特点，报故时未发现任务处理机与其他设备存在 RS422 通信异常问题，因此排除故障 X1、X2；3)拆下故障 IOM 模块，目测 IOM模块连接器电气连接正常、无松动、插头腔体内无异物；用万用表“蜂鸣档”测量连接器对应针脚到 RS422 接口芯片相应引脚的走线过孔，证实电气连接正常，排除故障 X4；4)进一步检查发现两个故障 IOM模块上，负责与平显间通信的一路RS422 接口芯片（型号 SN65HVD34D，生产厂家为 TI 公司）损坏，其表涂三防漆融化，且有异味，芯片表面有裂纹，如图 2 所示。5)用万用表测量芯片管脚，确认损坏的芯片管脚已无二极管特性；进一 步 测 量 RS422 接口电平，电平已经不在正常工作电平范围之内。6)故 障 定 位为 RS422 接 口 芯 片SN65HVD34D 损 坏（X5）。3 机理分析任务处理机与平显间的 RS422 接口交联框图如图 3 所示，IOM 模块 RS422接口电路设计原理图如图 4 所示。接口芯片 SN65HVD34D 主要技术指标如下。额定电压：3.3V，兼容 5V；最大支持传输速率：5Mbps；具有收发使能控制引脚；接口容限：(7 12)V；电防护：HBM 模型下 16kV，CDM 模型下 1kV。从 RS422 接口电路原理图可以看出，任务处理机对外的 RS422 接口有三种保护措施。1)在 RS422 接口芯片接收驱动器和发送驱动器的引脚处串接阻值为1k 的 限 流 电 阻（如 图 4 中 R21和 R98），保证电流处于合适范围，保 证 芯 片 的 正 常使用；2)在 RS422 接 图 2 损坏芯片示意图图 3 任务处理机与平显间 RS422 接口交联框图图 4 IOM 模块 RS422 接口电路原理图口芯片接收驱动器和发送驱动器的引脚处还设计了阻值为 10k 的上、下拉嵌位电阻（如图 4 中 R99 和 R100），保证在极端条件下可将接口电平嵌位在允许范围内，增加抗干扰能力，增大输入阻抗，避免芯片损坏；3)IOM 模块上选用的 RS422 接口芯片使用 5V 电源供电，该电压来自任务处理机内的 PSM 模块，该模块可在外部输入电压在一定范围内波动时稳定输出 5V 电源给 IOM 和其他功能模块使用。结合芯片损毁的现象、RS422 接口设计特点及机载平显的装机特点，推断RS422 接口芯片出现损坏的可能原因为瞬态干扰产生的电应力过大所致。首先，为使平显设备后端插头（公）与飞机端插座（母）方便对接，飞机端矩形插座设计为在卡槽内可上下移动的方式，易受振动等因素的影响，产生接触不良现象；再者，日常工作中，平显的拆装方式为“交替拧松（紧）两个较长的固定螺栓”，使公母头两侧的脱离与连接不同步，进退轨迹是折线，相当于对机上电缆插座母头的针孔进行“扩孔”，多次拆装后，针与孔的吻合度降低，32航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/2也为接触不良现象的形成创造了条件。当设备在工作时插拔任何一端的RS422 航插，或任意设备端 RS422 接口接触不良（也可等效为热插拔）时，均可能在接口处产生频率很高的瞬态电压干扰，此时较长的通信电缆对高频信号而言等效于电感，由瞬态电压最大值的计算公式(1)：(1)其中 L 为通信电缆等效的电感值，为电流变化率。可见虽然瞬态干扰持续时间短暂，但仍然会产生很高的电压。此外，在 RS422 接口热插拔时，会产生很大的放大电流。在点对点通信中，最大放电电流的计算公式(2)为：(2)其中 C 为对地电容，U 为电压，t为时间。可见电容及电压越大，时间越短，则放电电流越大。在 正 常 通 信 时，RS422 电 平 在4 5V 左右，但由于信号线接触件长度不同，无法保证接触件同时进入或拔出航插腔体，这样先进入或后离开腔体的接触件在极端条件下会承载全部的共模电流。任务处理机使用的 RS422 接口芯片 SN65HVD34D 的驱动器引脚极限电压容许范围为 7 +12V，当对RS422 接口进行热插拔操作时，会在传输线上产生一个瞬时的电压尖峰，其电平可达到 15V 左右，当共模电压超过接口芯片容忍极限时，会造成通信异常，甚至将芯片内部保护二极管击穿、导致严重会导致芯片失效。综 合 此 次 两 台 任 务处理机内 IOM 的同一路RS422 接口芯片同时损坏的现象，怀疑平显的矩形连接器机上电缆端与产品端接触不良：由于其与任务处理机间的两路 RS422接口定义在矩形连接器同个腔体的同一侧，在使用过程中受力时确实可能发生平显和任务处理机的两路 RS422 接口同时接触不良的情况，在该条件下，该现象等效为 RS422 的频繁带电插拔，即时而接触、时而断开。该现象依据前文分析，可能造成接口芯片损坏；此外，任务处理机使用的 RS422 接口芯片驱动器引脚极限容忍电平为 7 +12V，而平显中使用的接口芯片极限容忍电平为 8 13V，在偶发、边界条件下确实可能出现任务处理机接口芯片损坏而平显接口芯片未损坏的现象，这也与故障现象吻合。根据机理分析，此次故障系平显端矩形连接器松动，导致插头形成类似“热插拔”的接触不良现象，进而造成了任务处理机与平显间 RS422 接口芯片损坏。4 解决措施结合 IOM 模块 RS422 接口电路设计原理图分析，解决此类问题，可在接口电路中增加如下防护措施，如图 5 所示。1)在 IOM 模块的此 RS422 接口芯片对外驱动器引脚对地（或在任务处理机的母板或信号接口模块对应信号输入端）并联瞬态抑制二极管（TVS 管），提供异常情况下引脚到地的电荷泄放通路。TVS 管在电路正常工作时具有很高的对地阻抗，可看作开路。其保护原理为将瞬态导致的过压箝位到电压限值，这是通过 PN 结的低阻抗雪崩击穿实现的。当产生大于 TVS 击穿电压的瞬态电压时，TVS 管会将瞬态电压箝位至小于受保护器件击穿电压的预定水平，通常可在不到 1ns 的时间内完成，此时 TVS管对地表现为短路，瞬态电流即可从受保护器件转移到地，完成能量泄放。2)在对外驱动器引脚上串联瞬态阻隔单元（TBU管），并与TVS管配合使用。TBU 管是一种过流保护元件，具有预设电流限值及耐高压能力，在正常工作条件下等效于开路，而在瞬态事件发生时具有高阻抗，且具有在阻隔状态和正常工作状态之间自动切换的功能。这样在TVS 管击穿时，TBU 管可在不到 1s的时间内将受保护电路与外部隔离，使接口电路处于保护状态；在瞬态事件后，TBU 管可自动复位至低阻抗状态，允许电路恢复正常工作。3)增大 RS422 接口芯片串接的限流电阻阻值，保证更加可靠的限流能力。5 经验总结这起故障的成因是典型的设备装机存在缺陷，使设备在工作时产生类似“热插拔”现象，进而导致成品故障，日常工作中应加强对形成“接触不良”或“热插拔”因素的检查，做到早发现、早处理。常见的形成因素如连接件装配不到位、后附件的松动导致缩针、悬空受力的线束导致缩针、高频馈线的过度弯曲导致张力过大而缩针，这些因素在振动的作用下均易形成时而接触、时而断开的“热插拔”现象，对元器件造成损坏。此外，可与设计人员沟通，通过对不合理拆装方式、线缆布局、插头走向的合理优化，有效预防成品使用过程中产生接触不良的隐患发生。再有，还应重视员工培训，使每一位员工对“接触不良”或“带电插拔”连接器的危害有清楚的认识，从思想上重视起来。Umax=LdidtLmax=CUt图 5 更改措施接线图试飞维修保障