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换掉所有芯片还是修不好,问题出在哪?

2021-04-30 Glen Chenier 阅读:
一开始,一款电信公司的被测设备,我们对其中几台进行了大规模的逆向工程和维修,客户对此感到非常满意。于是,两年后又给了我们同样的产品进行维修。两年前遇到的是电源问题,很容易修复。但这次换掉所有的电源芯片还是修不好,这使我陷入了徒劳的调试中。

一开始,没什么大不了的。大约在1985年,我们有一款电信公司仍在使用的被测设备(DUT),也就是一款遥控操作的电话双绞线分析仪。几年前,由于其OEM已经停业,我们对其中的几台进行了大规模的逆向工程和维修。客户对我们以前的工作感到非常满意,以至于他们最近又给了我们另一批这种古董进行维修。Vxwednc

作为进行过最初逆向工程的主题专家(SME),公司把这个项目分给了我。于是,我拿出笔记,尝试回忆我两年前所研究过的东西——是电源问题,很容易修复。这是一款简单的DC-DC转换器,没有稳压反馈:它将-48V输入连接到推挽式中心抽头降压变压器,经过线性稳压,得到±15Vdc和+5Vdc输出。几个电阻被烧焦了;一个集电极发射极钳位二极管发生了短路;7815和7915线性稳压器对地发生了漏电(幸运的是,这也让负载电路免受损坏);五个电解电容变干了,在示波器上测量为开路。非电解电容均测试良好。为了预防起见,我更换了所有的电源芯片——即使那些仍然测试良好的电源芯片也进行了更换,因为它们可能已承受应力,现在也就容易发生故障。Vxwednc

TIP51 NPN BJT推挽驱动器晶体管已经过时,很难找到替代品,但最终还是找到了电气性能合适的NTE394。与最初的TO-218封装相比,它采用较大的TO-249封装,但采用了相同的螺栓散热器连接样式,所有机械尺寸看起来都没有问题。这个例子中将金属底座外壳本身用作散热器。Vxwednc

最初的TIP51晶体管使用了符合橡胶要求的导热绝缘片和塑料肩形垫片,将其集电极法兰与底座进行电气隔离,但是这种绝缘片体积太小,无法与新晶体管一起重复使用。每个NTE394都带有一个大云母绝缘片,需要在绝缘片的两侧散布一层薄薄的导热胶,从而实现充分的导热。我们的零件库存中存储了某种类型的导热油脂——Arctic Silver 5(北极银5号)——因此我使用了它。起初,我有点担心,因为这种润滑脂是由悬浮在“高级聚烯烃合成油”中的微小银颗粒组成的,但其数据手册却说它不导电。与新的NTE394一起提供的云母绝缘片看起来有些破旧,在运输时因为弯曲而弄皱了,但仍然是一件产品,所以我使用了它们。Vxwednc

出于谨慎,我用20V而不是正常的48V进行了首次启动测试——仅当DUT不冒烟时,烟雾测试才算成功(也许应该称为防烟测试)。示波器上显示某开关晶体管的集电极上出现了几秒钟振荡(呵呵!),然后突然又停止了振荡。然后在较高的电压下上电会出现“间歇振荡”,即如图1所示的几个周期的短时振荡,然后暂停几毫秒后又发生重复。Vxwednc

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图1:每隔几毫秒重复一次的间歇振荡。Vin为-48V。Vxwednc

那个电源使我陷入了徒劳的寻找中(图2)。为了继续在较低的20V电压下进行测试,我暂时减小了46K4的基极偏置电阻,以便再次实现这种间歇振荡,希望不会发生任何爆炸。然后,我就遇到了最令人沮丧、费力和痛苦不堪的调试经历。Vxwednc

即使把基极偏置电阻降低,这种间歇振荡也不与电源电压一致。有时它会在18V的电压下开始发生间歇振荡,有时直到30V才开始发生。当没有发生间歇振荡时,它仅会消耗约10mA电流,两个推挽晶体管几乎都没有偏置在导通状态,因此显然没有器件短路。Vxwednc

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图2:电路看起来好像很简单,问题出在哪呢?Vxwednc

为了消除过载的可能性,我卸下了桥式整流器。电路仍在发生间歇振荡。Vxwednc

由于所有有缺陷的元器件都更换了,因此问题是否可能出在磁性元件上?主变压器T1(装在金属外壳中的定制器件,现在已淘汰)没有多余的备件,但T2是在环形磁芯上绕几匝电磁线制成。是否有线圈短路?磁芯是否因先前的故障不知何故而被磁化饱和了?于是我把它从PCB上拿下来,然后使用图3的电路测量了它的电感。Vxwednc

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图3:利用示波器和方波函数发生器测量变压器电感。有关详细信息,请参见W2AEW的YouTube视频Vxwednc

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图4:DUT变压器的响应。在C=1nF的情况下,电感使用公式L = 1/[(2πf)2 C]计算为21.3µH。Vxwednc

图4看起来不太坏,但即使在所有绕组都没有负载的情况下,其阻尼也相当大。将初级绕组的另一半短路,会使电感急剧下降,这说明没有线圈短路。Vxwednc

由于涉及的是低电压,变压器不太可能在实际工作条件下发生故障,而且环形磁芯不导电,因此不会受到高压(雷击)浪涌的破坏。但是仍然可能存在磁芯磁化的问题或看不见的裂纹,然后,由于我的废料箱中还有一些大小大致相同的环形磁芯,因此我对其中的一些缠绕了相同匝数的线圈。最初的磁芯材料类型是未知的,但我临时采取的一项尝试已接近完成,请参见图5Vxwednc

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图5:仍为1µs/格,Amidon FT-50A-77环形材料具有更大的电感(85.9µH),但在其他方面却合适。Vxwednc

不幸的是,间歇振荡又开始了,于是我将最初的T2放回到PCB上,然后将其他的变压器放回废料箱中以备将来使用。Vxwednc

我将主变压器T1从PCB上取下来,进行了类似的测试。将另一个绕组短路,又一次使电感发生急剧下降,从而表明变压器内部没有线圈短路。但是,在较高电压的正常工作情况下会怎么样?Vxwednc

注意(在图2中)T1绕组与82R5电阻和0.1µF电容串联在一起。我把这个支路断开,插入(串联)了一个小型变压器(Midcom50398,我废料箱中的另一个工件),然后用函数发生器产生的方波来驱动它。这迫使电路进入连续工作状态,这样就可以更好地了解该间歇振荡的静噪情况。串联的0.1pF电容可对方波进行微分,限制晶体管导通时间的占空比,希望能将它设置到某个安全值,而不会在连续工作条件下使晶体管发生爆炸。Vxwednc

我用一些鳄鱼夹电线将T1重新连接回了电路。为了测量晶体管和变压器的电流,我将一个1Ω的电阻插入电路的发射极支路,然后将第二个129µH扼流圈(也就是与二极管和27Ω电阻并联在一起的那个)短路,以便消除它的影响。然后,当1Ω电阻两端的电压下降时,就可以在示波器上读取电流。由于变压器电感空载,我应该看到每个电流脉冲都有一个上升沿。但是相反,我看到了图6的结果。Vxwednc

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图6:看起来,T1初级电流并未按预期那样上升。Vxwednc

T1出了什么问题吗?Vxwednc

由于无法搞到另一个相同类型的T1,因此我从废料箱中报废的PCB上取下了一个电感值大致相同的共模扼流圈,用于临时测试。共模扼流圈上有两个相同的绕组,因此可以很好地替代DUT T1中心抽头的空载初级线圈,从而验证我的测试设置。我从电路上拆下了最初的T1,然后使用相同的鳄鱼夹电线将该扼流圈临时插入到DUT中。Vxwednc

结果令人大开眼界,请见图7图8Vxwednc

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图7:用共模扼流圈代替T1,Q2接通时没有变化,但是当Q1接通时电流很好地倾斜了。Vxwednc

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图8:上面的情况无法解释。为什么只有Q1具有期望的电流斜坡?Vxwednc

与初始变压器不同,共模扼流圈负载在两个推挽驱动晶体管之间显示出截然不同的开关特性。交换扼流圈的两个绕组没有影响,问题一直存在于Q2上。很明显,电路的Q2部分出了问题。Vxwednc

最终有了一条可靠的线索,我再次用欧姆表戳了戳。Q1和Q2的集电极到底座的电阻值均为21.5Ω。我立即发现了罪魁祸首——很可能是先前检查过的T1中心抽头和底座之间的1μF电容。但却不是——将那个电容从PCB上拔下来没有任何区别。尽管欧姆表上有数值显示,但电路中没有其他地方连接到底座。Vxwednc

然后我产生了严重的怀疑,在仍然连接欧姆表的情况下,将Q2的安装螺钉退了大约四分之一圈。欧姆表的数值跳到了约8kΩ。Vxwednc

我将Q1的安装螺丝松开,欧姆表跳到了无穷大,也就是开路。Vxwednc

晶体管的集电极安装法兰不知何故通过云母绝缘片对底座发生了漏电。我知道绝缘片已经弯曲产生一个小折痕,但是即使绝缘片上的裂缝确实出现了完全穿透,也不会引起任何问题,因为导热油脂是不导电的——数据手册是这么说。Vxwednc

再看了一下数据手册。如果将导热油脂涂在PCB板上,那么它是不导电的。它用于将散热器连接到CPU——当将散热器安装到BGA上时,我们的工作人员会使用这种油脂。在这个应用中,即使它是导电的也不会有问题。Vxwednc

但是数据手册却没有说,在用螺钉将晶体管法兰固定到散热器上时,在高得多的压力下,油脂受到压缩会发生什么情况。还记得润滑脂的油性成分当中浸有微小的银颗粒吗——如果将这些银颗粒紧紧挤压,它们会发生相互接触吗?如果是这样,那么当将这种油脂挤入到完全穿透云母绝缘片的裂缝中时,就可能引起我所看到的问题。Vxwednc

于是我向Arctic Silver公司发送了电子邮件,几个小时后接到了一个电话。是的,他们确认他们的产品在受到压力的情况下会发生导电。Vxwednc

然后,我又获得了另外两个完整的云母绝缘片和一些不含银颗粒的真实导热油脂。在那以后就再没有遇到更多问题了。Vxwednc

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Chasing wild ghosts。由赵明灿编译。)Vxwednc

本文为《电子技术设计》2021年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Vxwednc

(责编:赵明灿)Vxwednc

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