核電電源板卡的故障檢修介紹

沈 屹

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

在核電的應(yīng)用環(huán)境中，其儀器儀表需具備高穩(wěn)定性、可靠性及安全性，同時也朝著小型化、高集成度方向發(fā)展。核電儀器儀表設(shè)備對工作的電壓、電流等要求高，同時對工作環(huán)境需具備較強的耐受力，這就需要配置一個穩(wěn)定可靠的電源板卡為其提供供電保障。

在相關(guān)儀器儀表的使用中，發(fā)現(xiàn)其中電源板卡的故障率比較高，根據(jù)統(tǒng)計在設(shè)備故障中以開關(guān)電源板卡的故障率居榜首。原因為開關(guān)電源處于整個系統(tǒng)的上游，當(dāng)其發(fā)生性能退化或故障時，往往會引起下游組件工作失常；嚴(yán)重情況下會造成下游組件出現(xiàn)故障，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟損失，甚至是人員的傷亡。為了確保核電站的安全可靠運行，有必要對電源板卡的元器件構(gòu)造及其原理、常見故障分析、失效率曲線及短壽元器件和故障檢修方法進行介紹和分析總結(jié)[1,2]，提高運維人員的維修效率和維修技能。

1 電源板卡的原理

圖1 一款線性可調(diào)電源實物圖Fig.1 Physical map of a linear adjustable power supply

核電儀器設(shè)備中常見的電源板卡有線性電源和開關(guān)電源兩種。線性電源通常先將交流電經(jīng)過降壓變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后，再經(jīng)線性穩(wěn)壓管得到較高精度的直流電壓。線性電源具有線路簡單、噪聲小、精度和可靠性高等優(yōu)點，但也存在體積重量大，功率密度低等缺點。圖1 為核電儀控設(shè)備中一款線性供電電源板卡。其工作原理為交流輸入220 V/50 Hz 經(jīng)過降壓隔離變壓器降壓后，輸入給整流器和濾波電解電容得到30 V 的脈動電壓，再經(jīng)過可調(diào)電阻、穩(wěn)壓管和穩(wěn)壓電解電容后，得到可調(diào)的直流供電電壓。

開關(guān)電源板卡具有功率密度和效率高、體積和重量小等眾多優(yōu)點。在現(xiàn)代儀器設(shè)備中，采用開關(guān)電源的比重越來越高。圖2 為一款核電站集控室采用的24 V 直流母線供電開關(guān)電源，為德國AGE 公司生產(chǎn)的AC2000 電源模塊。電源輸入為交流電90 Vac ～264 Vac/47 Hz ～63 Hz，輸出為24 V/40 A 直流電壓。這款開關(guān)電源電路采用兩級拓?fù)?，第一級為功率因?shù)校正電路，采用單相升壓電路將交流電壓整流升高到400 V；第二級電路為移相全橋隔離變換電路，將400 V 直流電壓轉(zhuǎn)換為24 V 可控輸出。

2 電源板卡的常見故障分析

圖2 AC2000開關(guān)電源實物圖Fig.2 Actual diagram of AC2000 switching power supply

開關(guān)電源板卡由眾多元器件焊接組成，其中半導(dǎo)體有開關(guān)管、整流管、控制芯片等；被動元器件有磁芯元器件，瓷片或插件電阻電容、電解電容、安規(guī)電容、保險絲等；另外還有印刷電路板、輸入輸出端子和外殼等組成。電源板卡不僅需要在設(shè)計上留有足夠的安全裕量，且通過相關(guān)測試；同時在來料篩選及生產(chǎn)制程上嚴(yán)格控制，才能滿足高質(zhì)量和高可靠性的要求。電源板卡的常見故障有如下幾類。

2.1 設(shè)計裕量/校驗不足

不同的電源板卡，如民用電源、核電電源或軍工電源，有不同的設(shè)計規(guī)范或相應(yīng)法規(guī)要求。電源板卡在設(shè)計之初，就需要充分解讀相關(guān)條款，指導(dǎo)元器件選型和電路設(shè)計；測試校驗過程中必須嚴(yán)格要求并滿足法律法規(guī)要求。任何測試不良項目都需要有不良分析、整改對策和驗證報告等完善的質(zhì)量管控體系。

在核電應(yīng)用場合，其電源板卡的檢測和鑒定有相關(guān)法規(guī)要求[3,4]，其中NB/T 20197.3-2014《核電廠儀表和控制設(shè)備可靠性及老化檢測》中第3 部分電源有詳細的測試條款和要求，如輸入/輸出調(diào)整率、交叉調(diào)整率、過沖幅度、維持時間等要求。表1 詳細羅列核電廠電源板卡可靠性及老化檢測項目。

另外，NB/T 20344-2015《核電廠安全級電子設(shè)備鑒定教程》中也有相應(yīng)測試鑒定條款，主要集中在環(huán)境試驗、電磁兼容、電氣絕緣和抗震試驗等。開關(guān)電源屬于硬件設(shè)備，可以通過分析法、試驗法、運行經(jīng)驗法或組合法（分析、試驗、運行經(jīng)驗的組合）獲得證據(jù)，以證明在規(guī)定的運行條件和環(huán)境條件下，設(shè)備能夠滿足其規(guī)定的功能及性能要求。

圖3 一款雙路輸出直流供電電源，在質(zhì)保期連續(xù)發(fā)生故障，經(jīng)維修小組拆解分析，發(fā)現(xiàn)都是圖中紅圈中一顆采樣電阻燒毀，導(dǎo)致整機故障無輸出。經(jīng)過客訴和廠商分析，其原因為采樣電阻設(shè)計裕量不足，在連續(xù)沖擊電流或長時間過載后，電阻熱裕量不足導(dǎo)致燒毀。后續(xù)產(chǎn)品通過采用更大功率的采樣電阻，故障率大大下降。

表1 電源可靠性及老化檢測項目Table 1 Power reliability and aging test items

圖3 一款電源的電阻燒毀故障圖Fig.3 The fault diagram of a power supply’s resistance burnout

圖4 電解電容容量衰減不良Fig.4 Poor capacity attenuation of electrolytic capacitors

2.2 元器件或生產(chǎn)制程缺陷

電源板卡少則十幾個器件，多則由數(shù)百個元器件組成，任何元器件的故障都會導(dǎo)致整個板卡性能下降或者故障。同時元器件的制程工藝，如貼片工藝、焊接方法和組裝方式等都會影響電源板卡的成品率和使用壽命。其中，常見的貼片不良有反貼、漏貼和貼歪；焊接不良有虛焊、爬錫不足和拖錫等；組裝不良有固定螺絲未擰緊、元器件浮空和元器件反插等。

（1）混合料拌和運輸。選用拌和設(shè)備依次對A型及B型TPS兩種不同改性劑的排水瀝青混合料進行拌和，在排水瀝青混合料拌和過程中，保證拌和樓處于正常工作狀態(tài)，若出現(xiàn)突發(fā)情況應(yīng)提前做好應(yīng)急處理工作，具體拌和操作應(yīng)以相關(guān)規(guī)范為參考。

圖5 電解電容引腳虛焊不良Fig.5 Poor soldering of electrolytic capacitor pins

圖4 為一款菲尼克斯48V 導(dǎo)軌電源的某顆電解電容來料缺陷，導(dǎo)致同一批次的電源板卡未過質(zhì)保期就無法正常工作，提前壽終。通過分析大部分不良原因為電解電容C1容量衰減，原本為470uf 的容量衰減到幾乎為零，導(dǎo)致卡件無正常輸出。圖5 為一款電源的一顆輸出電解電容的引腳存在虛焊現(xiàn)象，在出廠前雖然通過了拷機等測試，但是后期使用中有熱脹冷縮，虛焊處脫開導(dǎo)致不能正常工作。此類不良需要原廠穩(wěn)定焊接工藝，同時制定有效的檢測手段。

2.3 工作環(huán)境不當(dāng)

電源板卡在說明書上都有嚴(yán)格的工作條件，如輸入輸出范圍、電磁兼容等級、溫濕度范圍、散熱條件、使用海拔高度、防塵防水等級和安裝方式等要求。不當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境將導(dǎo)致電源板卡壽命大打折扣，甚至出現(xiàn)安全隱患。電源板卡通常作為整個系統(tǒng)的一個子部分，系統(tǒng)集成商常忽視了電源板卡的一些細節(jié)要求，導(dǎo)致在一些極端的工況或者運行一段時間后，出現(xiàn)大批量的不良或故障。

圖6 為一款艾默生電源在電站使用一年后，發(fā)現(xiàn)PCB上元器件焊點處出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，同時出現(xiàn)很高的故障率。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，雖然電源板卡采用了三防漆的防護工藝，但是在一些死角部位無法做到有效防護，導(dǎo)致在高鹽高濕運行環(huán)境中出現(xiàn)焊接點和元器件腐蝕不良，從而出現(xiàn)高的故障率，嚴(yán)重影響供電安全。

圖7 為一款電源在電站使用兩年后，發(fā)現(xiàn)帶載能力下降，風(fēng)扇聲音變大。經(jīng)過拆解分析發(fā)現(xiàn)，機殼內(nèi)的電路板上布滿灰塵，導(dǎo)致整機散熱能力不足，帶載能力下降，甚至出現(xiàn)熱保護而停止工作。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該電源機柜在配電室進風(fēng)口處，進風(fēng)口未做有效的慮塵處理，導(dǎo)致電源模塊快速堆積大量粉塵，影響散熱和工作。

圖6 電路板腐蝕不良Fig.6 Poor corrosion of the circuit board

圖7 電路板粉塵堆積不良Fig.7 Poor dust accumulation on the circuit board

另外，電源板卡在輸入輸出端子連接、接地保護、安裝方式等也會影響其可靠性和穩(wěn)定性。特別是一些電源板卡的接地或屏蔽方式，會導(dǎo)致電磁電容不良，或者防浪涌和防靜電保護失效，這些都需遵照電源板卡的說明書來嚴(yán)格執(zhí)行。

3 電源板卡的失效率曲線

圖8 電子產(chǎn)品故障率的浴缸曲線Fig.8 Bathtub curve of failure rate of electronic products

電源板卡在實際運行中基本上都是免維護的，一般做預(yù)防性更換替代，或者整個設(shè)備升級換代。但是在設(shè)備運行中，還是會出現(xiàn)一定故障率。這是因為所有的元器件都有一定的失效率，生產(chǎn)廠商一般會在規(guī)格書中表明其平均故障時間（Mean Time Between Failure，簡稱MTBF）[6]。圖8 為電子產(chǎn)品壽命周期的經(jīng)典浴盆曲線，也適用于電源板卡；X 軸表示電源板卡的壽命周期時間，Y 軸表示壽命周期失效率。浴盆曲線左側(cè)顯示電源板卡的早期故障階段，通常是指生產(chǎn)過程中未篩選出的工藝缺陷和部件缺陷。如果在生產(chǎn)中通過拷機等手段篩選出工藝缺陷和部件缺陷，則早期故障率應(yīng)非常低，與隨機失效率一樣低。浴盆曲線中部為穩(wěn)定狀態(tài)階段。這個階段的失效率為隨機失效，通常由軟性缺陷或隨機應(yīng)力（如浪涌）引起，這個時期失效率很低。浴盆曲線右側(cè)為損耗階段，這個階段的失效主要為組件材料失效或參數(shù)降低，并隨著時間推移失效率迅速上升。當(dāng)電源板卡進入損耗階段，應(yīng)及時進行更換動作。

現(xiàn)代電源板卡大部分采用電解電容來做濾波和儲能元器件，電解電容的壽命一般是整個卡件的壽命短板。生產(chǎn)廠商一般根據(jù)使用環(huán)境主要是溫度、電解電容壽命及其它元器件綜合計算，給出電源板卡的壽命指標(biāo)，從幾千小時到數(shù)萬小時不等[2,5]。電解電容的退化主要受最初制造工藝及后續(xù)使用過程的影響，三氧化二鋁（Al2O3）氧化膜介質(zhì)部分會不斷地增加變厚，同時電解質(zhì)液在不斷地對氧化膜介質(zhì)進行修復(fù)的同時，也在消耗著自身的體積，導(dǎo)致電解液體積持續(xù)地下降。另外在使用過程中由于發(fā)熱，也進一步加速電解液消耗。

4 電源板卡的故障檢修方法

根據(jù)核電廠儀控設(shè)備的核安全和機組可用率的要求，電源板卡分為A、B、C 3 個級別進行管理[4]。其中，A 級電源為安全級電源或單一故障導(dǎo)致停機停堆的電源；B 級電源為電源本身沒有安全級別的要求和鑒定要求，但其失效可能引起安全相關(guān)設(shè)備功能水平的降低；C 級電源除A級和B 級以外的其它電源，C 級電源不納入老化管理范圍。

圖9 電源板卡故障檢修步驟Fig.9 Troubleshooting steps for the power board

針對A 級和B 級的核電電源板卡，本文總結(jié)常見的故障檢修流程，如圖9。主要包含外觀檢查、電路板檢查、故障點排查/元器件更換、修后功能驗證、修后老化測試和總結(jié)報告共6 個步驟。下面將詳細介紹電源板卡故障檢修中每個步驟的細節(jié)和注意事項。

1）外觀檢查

輸入輸出的引線是否松動或燒毀。外殼是否有變形或變色，通常塑料外殼產(chǎn)品會有明顯變化。固定螺絲等是否松動或缺失，特別是一些保護接地線的螺絲。指示表針是否在正確位置，故障時指示LED 燈的狀態(tài)等。通過細致的外觀檢查可快速定位一些直觀的故障點，提高檢修效率。

2）電路板檢查

拆解電路板檢查過程中需做好防靜電措施，防止靜電二次損傷。通過清理元器件上的積塵，便于電路板上元器件外觀檢查，如燒焦或一些電擊穿的痕跡?？梢灾攸c檢查輸入輸出保險絲是否熔斷，功率半導(dǎo)體元器件的通斷性，繼電器的觸點阻抗，其它元器件可以查看表面是否變色破裂等。

3）故障排查及元器件更換

當(dāng)無法通過肉眼識別故障點時，需用專業(yè)設(shè)備如萬用表和LCR 表等進行精確的故障測量和定位。在故障排查重新上電過程中，需要注意從低壓開始慢慢上電，避免二次上電造成進一步損傷。當(dāng)定位故障元器件后，更換的元件跟原機型的規(guī)格及型號一致，不可以隨意更換替代元件。如果需要采用替代料進行故障替換，需進行替代料可行性分析及評估。

4）修后功能驗證

故障排查后需進行基本的功能驗證，通過解讀電源板卡的規(guī)格書，建立修后功能測試項目，再進行逐漸的驗證測試，以篩除修后功能指標(biāo)可能存在的不良。對于一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，需要進行反復(fù)的測試確認(rèn)。

5）修后老化測試

根據(jù)核電相關(guān)規(guī)范，建立老化測試項目，通過向電源板卡施加環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力來加速壽命試驗。對于電源板卡環(huán)境應(yīng)力一般采用高溫高濕測試，或者冷熱沖擊測試。通過一定時間的老化測試，將內(nèi)部潛在的缺陷加速變成故障，以篩除修后早期的不良，提高修后的可靠性和穩(wěn)定性。

6）出具維修報告

故障檢修完成后需出具維修報告，保存維修記錄。通過一定歷史數(shù)據(jù)分析，總結(jié)常見故障模式及排查維修方法，提高維修效率和維修技能。

5 總結(jié)

本文介紹常見核電電源板卡的元器件構(gòu)成及其工作原理，有線性電源和開關(guān)電源兩種；分析電源板卡常見的3種故障原因：有設(shè)計或校驗不足、元器件或制程缺陷和使用環(huán)境不良；并介紹相關(guān)實際案例，介紹電源板卡的失效率曲線及主要影響壽命的電解電容器件，重點介紹并總結(jié)電源板卡的故障檢修方法。通過以上介紹和分析，增加核電運維人員對開關(guān)電源的認(rèn)識，同時提高維修效率和維修技能。