电源故障预测

I. 电子系统的故障预测技术定义 

故障是产品不能完成规定功能或性能退化导致不能满足规定要求的状态。电子系统的故障预测技术是以当前电子系统的使用状态为起点，对将来可能出现的故障进行预测，当预测到故障时及时向用户提出警告，以便用户能够采取措施避免重大恶性事故发生,对现行的系统管理和维修制度具有开创性的作用，达到及时的故障预测和对电子系统有效的健康管理。故障预测技术是实时地监控系统的健康状态和剩余使用寿命(RUL), 它提供状态维修的依据, 并且它区别于故障诊断(事后维修)。

 

采用故障预测技术有很多好处。据NAVAIR统计, 在支援设备上有6%到10%的节省,在必要的人力支持方面有46%到52%的节省，在美国商业电信部门，最近的一项分析表明，故障预测系统的启用导致OEM电力系统的33%投资回报率（ROI）。 故障预测或预测的诊断方法可以让用户检测到退化的被监察电子模块。通过预先警告即将发生磨损，可进行以条件为基础的维修。在这期间，故障预测也可以支持动态切换到备份系统，或通过切负荷计划，或其他闭环控制措施，以确保任务圆满成功。 

  
 
系统的寿命通常认为，一个浴缸曲线模型，如图1所示。为了避免过早的失效，检测失效边缘的触发是可取的，就象图1.的故障预测触发点一样。这个故障预测触发点，可以通过“金丝雀”型感应器或由算法所得到。图1. 曲线揭示了系统的寿命与失效速率的关系,可以看到在系统的初期随着时间的延长,失效速率是逐渐降低的, 这个阶段, 容易发生早期失效；随着时间的推移, 系统进入稳定期,也就是有用寿命期,这里会发生随机失效；当进入退化期, 退化失效速率是随时间而升高的。故障预测触发点设置在有用寿命期期间,不让系统进入退化期。 

 
故障预测技术最初是为机械的应用发展起来的，并在直升机和复杂的机械系统与HUMS子系统里所采用。由于要监测的组成部分不同，其特征值，时间常数，和断断续续性的存在 ，电子故障预测技术需要独特的创新提供类似的能力。电子故障预测技术尤为宝贵，尤其是在运行准备很重要和停机费用昂贵等关键系统。比如说: FADEC飞行控制系统，电源系统,动力系统，驱动器和数字CPU板等。 

 

采用电子故障预测技术需要监测系统中的关键组成部分的行为。这种行为可以用被监控的传感器，例如Ridgetop-Group SJ-BIST和Ringdown™,前者主要是对由于焊锡球栅阵列(BGA或FPGA)的焊锡球在PCB板上的断裂造成的电信号断断续续的现象进行监测;后者主要是对电源系统寿命的监测。

图2. PCB或模块可以启用故障预测
 

 

在PCB或模块上可以启用故障预测的，如图2.所示: SJ-BIST 主要是对FPGA或BGA在PCB板上焊接球的状态的监测, 尤其是对PCB板上焊接球断裂造成的系统断断续续的现象的监测; IC的NBTI, TDDB等单元是对芯片本身寿命的故障预测; 电源传感器是对电源寿命的监测,即Ringdown™。在图2.中关键模块可以用来监测或观察使用现有的传感器点，或者由另外的传感器来监测或观察。另外的传感器也可以被集成或者将非侵入式传感器放到另一个系统。 

II. 电源系统的故障预测技术- Ringdown™

电源系统是电子系统的主要部件，同时也是制约电子系统寿命的关键部件。传统电源系统的特点可以概括成下列几条：

1.        符合安全规范
2．能带动大容性负载, 电子系统可以有很多去耦电容.
3．从空载到满载能稳定运行,模块插卡式设备,模块数量和功耗不同
4．纯电阻负载到大容性负载能稳定运行
5．空载突变到满载或满载到空载, 电压下跌量小,恢复时间短
6．起动时,电压无超调或电压超调量小
7．纹波小
8．输入电压范围广
9．输入掉电,输出电压维持时间长
10．工作环境温度范围广,低温下空载,高温下满载长时间运行
11．符合EMC标准
12．能驱动瞬时超过载(脉冲负载)
13．负载短路时能自动进入恒流状态,短路故障去除,能自动进入恒压.
14．效率要高
15．大功率具有PF校正

16.  出厂前老化 

众所周知，电源出厂前要进行老化试验。老化的目的是评估电源的性能和寿命，送到用户手中的电源是稳定的。 即图1. 中所示的电源应处在稳定期， 但也可以从图1.可以看出, 即使是系统处于稳定期, 也会发生随机失效。为了用户的电源系统有很好的可靠性和故障预知性，应该再加电源系统的故障预测技术- Ringdown™。美国Ridgetop-Group 的Ringdown™解决方案使电源系统的故障预测技术成为可能，它能提高电源系统的可靠性和可维护性与故障的可预测性。 Ringdown™解决方案既然是一种故障预测技术，它也遵从故障预测的普遍原则，即即插即用原则，不需要对用户电源系统电路进行任何改动就可以实现对电源系统的健康状况实时监控, 其性能远超过现行的静态电流负载测试方法。 

III. Ringdown™ 技术的介绍

机电致动器，如线性驱动器，在许多航空航天应用，包括军用和商用飞机, 正在取代其液压对应的单元。降低整体的载重和消除液体的泄漏的问题，有助于降低运营和维护费用。也许机电致动器的采用的一个更大的好处是改善飞行控制能力。为便于采用，非侵入性的解决方案是电子子系统的故障预测技术的首选。Ridgetop-Group的非侵入式Ringdown™ 技术是为电子电源系统的故障预测发展而来的，能够适应于象服务于飞机的机电致动器的运动控制系统的伺服环路。

下面介绍一个对直流电机的监测的例子来说明Ringdown™。


图 3 无刷电机/机电致动器伺服环路 
  

图3. 是直流电动机伺服环路图，是利用位置反馈所提供的解析器或执行运动的霍尔传感器。运动控制系统的错误可以被分析，以评估H桥电路共同的无刷直流电动机伺服驱动器的健康状况（State-of-Health ）。 

 


(图4a 健康MOSFET)

 
(图4b损坏的MOSFET)  
  

图4 是 Ringdown™ 仿真结果。 图4a ）揭示转子位置和当H桥电路的所有组成部分是健康状态时的错误对比。当H桥正常工作时，转子位置密切跟踪目标位置，在命令指挥方向改变以前，几乎为零错误，即转子位置和目标位置是匹配的。H桥功率级也包括了MOSFET的开关，对于三相无刷直流电动机，有三对MOSFET的开关。利用脉冲宽度调制（ PWM ）技术， MOSFET的开关控制通过线圈绕组的电流和转子的转动。基本上，依靠调节PWM信号的占空比来改变转子的方向或在命令位置稳定的保持。50 ％的PWM占空比没有产生运动，少于百分之五十的占空比运动在一个方向（如顺时针方向） ，而多于50 ％的占空比运动在反方向(如逆时针方向)。图4b 说明的是一个单一阶段的H桥的一个MOSFET退化的效果（例如，增加了内部电阻）。对比图4a.可以看出，转子位置大于模拟的目标位置。当方向改变的命令下达时，转子位置轻微地超过目标位置，经过补偿，然后再尝试遵从目标位置。图4b.错误的曲线图揭示了异常控制回路的行为。错误的曲线图是由于退化的MOSFET开关造成的。这导致正常转子为了回应指挥位置变化要快的多，以及抵消观察与实际转子位置和目标位置。

 
众所周知, MOSFET和IGBT等经常用在电源系统中，常见的伺服驱动H桥电路的门驱动器是依靠适合H桥的MOSFET或IGBT开关的驱动的控制逻辑(例如,微控制器或DSP)来推动TTL或CMOS低和高侧的PWM整流信号所产生。通常情况下，由于退化或瞬态电气条件，栅极驱动器集成电路的失效是表现在开路条件对驱动器的输出，例如使用过程中破坏性的抖动。同样地，如温度和振动应力等环境因素，也可导致H桥栅极驱动器集成电路断路故障的。 

Ridgetop-Group Ringdown™ 技术到底怎样实现的呢? 如图5.伺服驱动器通常包括一个来控制反馈环路和整体系统的反应的嵌入式微控制器单元控制器（ MCU ）或数字信号处理器（ DSP ）。集成了通用输入/输出，数据转换器，通信接口和充裕的记忆体。微控制器或DSP将管理由传感器获得的抖动产生/响应和将机动致动器的健康数据传到故障预测的遥感勘测中心，以至于预测后遥测治理。原始预测后的数据将用于由飞行控制或对地面维修人员远程分析。当前在航天航空领域，无论是否有故障，非常困难的和昂贵的检查是不可少的，航天器因为维修原因经常拆除和更换。更复杂的是，很多在飞行记录中许多问题在地面复测时不能再次复制，并因此被视为“无法重复” 或“无麻烦发现” （ NTF ）。最坏的是， 故障预测技术将通过支持条件为基础的维修工程有助于减轻这种昂贵的诊断/维修周期。最好的是， 故障预测的启用可以帮助飞行员避免灾害。在任何情况下，有效的预测后传感技术与强大的故障预测健康管理工具使维修费用减少。 

图 5 Ringdown™ 模块 
  

IV. Ringdown™ 解决方案特点和优势

正常情况下，电源系统使用闭环反馈来保持电压或电流的稳定.。当电源系统仍然处于稳定时，一些时间或老化相关的因素对内部器件造成的变化，造成电源电源系统供给将要失效。Ringdown™解决方案是在外部通过对电源系统或其负载变化进行瞬时的监控，在电源系统的性能还没有显著的下降时就可以检测到故障将要发生的特征， 用户可以根据Ringdown™的反应提前采取相应的措施。

1) RingDown解决方案可以精确地预测电源的损耗并判断其健康状态(State-of Health)和剩余寿命(Remaining Useful Life)。通过一个中央节点对位于电路板上的传感器进行信息收集来实现资产管理.

2）减少电源系统在应用中的故障

当电子系统的电源系统失效时，可能造成较大经济损失和客户对产品较低的评价。Ridgetop-Group Ringdown™解决方案可以精确地预测将要发生的电源失效, 用户可以在其失效之前就采取措施，避免用户的重大损失。

 

3）即插即用式安装,不需要修改用户电路

一个类似于专用外部传感器可以直接插装在用户电路板上，不需要修改用户电路。利用特殊的技术来提取测量值和判定控制电路的特性。 

１．可以快速对电源进行在线或离线测试.

２．减少整体测试成本. 

 
V. 远程监控电源系统的特性

Ringdown™故障预测系统将检测到的电源损耗特性可以连接到用户的大网络上，大网络可以用来提供动态的器件库存信息，从而提供整个系统健康状况和剩余寿命。同时美国锐拓集团公司的“哨兵健康管理”系统可以提供一个图形用户界面，可以使用户实时观察电源系统的信号幅度和其他的反馈。即Ringdown™解决方案包括了硬件支持和软件支持。  

 
VI. 结论

Ringdown™解决方案可以在电源系统的性能显著下降之前检测到损耗特征。拓扑的独立性使其可以应用在多种电源上。包括军工、汽车和医疗设备等。目前，该解决方案已经被NASA， Air Force，Daimler等采用。