SR20G3飞机MCU板级构造及内部电路原理研究
李光耀 蒋平清
摘要：本文对SR20G3飞机的MCU（主控制单元）的板级构造及内部详细电路原理进行了深入探究，分析了相关排故中的理论误区，可为SR20G3飞机电源系统的进一步研究提供参考。
关键词：SR20G3；
主控制单元；
电路原理
Keywords：SR20G3；
MCU；
circuit principle
1 SR20G3飞机电源系统简介
SR20G3飞机是美国西锐公司设计的全复合材料飞机，该飞机采用了符合通用飞机设计惯例的28V直流电源系统，主要由发动机防火墙前部左侧的MCU、发动机前部由螺旋桨皮带驱动的1号直流发电机（ALT1）、发动机后部由发动機齿轮驱动的2号直流发电机（ALT2）、发动机防火墙右前方的1号电瓶（BAT1）、飞机尾舱的2号电瓶（BAT2）及分布在整个机身上的电力传输线路和用电设备构成。
2 MCU板级构造
SR20G3飞机的MCU由一张多层 PCB板和板载的各种保险丝、二极管、继电器、电容、电阻、调压器、汇流条、插头、插座、接线柱等构成，图1为绘制的电路板内部构造图，图中的标注为结合线路图手册和电路板实际测量所得，使用该图可以大大提高故障诊断时板载元器件的定位效率。该MCU的电路板及板载的主要元器件在出厂时涂上了密封保护胶，有一定的防水、密封、保护作用。
3 MCU内部电路详图及原理分析
MCU内部有三个主汇流条，分别为Main Dist Bus1、Main Dist Bus2、Essential Dist Bus，其余汇流条分布在飞机的断路器板上，下文对MCU交联的主要外围器件及与MCU的交联情况和MCU内部电路进行深入探究。
SR20G3飞机维护手册、线路图手册中，虽然对MCU内部的电路有所描述，但内容分散且简略，未描述主要器件的性能、在电路中的具体位置及其与上下游电路的连接关系、电路板内部插针定义等，这给SR20G3飞机整个电源机构及其原理的深入分析和故障诊断造成了理论上的障碍。本文基于飞机手册和对MCU实际电路板的测量研究，绘制出MCU的内部电路详图，如图2所示。
当BAT1的开关闭合时，BAT1的继电器控制线圈上电，继电器吸合，BAT1的电流通过BAT1的电流采样电阻、BAT1继电器及125A保险到达Main Dist Bus1汇流条。BAT1继电器的输出端与起动机继电器的输入端相连，此时如果将钥匙拧至起动位，则起动机继电器吸合，电能直接从BAT1继电器的输出端到达起动机，即使125A保险烧坏也不影响发动机起动，GEA通过采集BAT1采样电阻两端电压，可知BAT1的输入或者输入电流。值得一提的是，GEA的采样负端连接BAT1近端，正极连接BAT1远端，因此当BAT1输出电流（即放电）时，MFD上的BAT1电流为负，BAT1输入电流（即充电）时，BAT1电流为正。外部电源继电器的输出端连接在BAT1继电器的输入端，控制端也连接在BAT1的开关上。这样，即使飞机连接了外部电源插头，如果BAT1的开关不打开，外部电源的电流仍然无法进入MCU，从而避免了飞机非受控上电，提高供电安全裕度。
BAT1电流在进入Main Dist Bus1汇流条的同时，会通过80A保险丝及型号为HF135NH40PBF的超快恢复二极管到达Main Dist Bus2，还会通过50A的保险丝和相同型号二极管到达Essential Bus。如果打开ALT1的开关，ALT1的励磁模块上电并向ALT1提供励磁，发动机达到指定转速以上，ALT1开始正常发电。励磁模块会实时监测Main Dist Bus1的电压，并调整励磁电流让Main Dist Bus1的电压达到28V，此时Main Dist Bus2与Essential Bus均由ALT1供电，如果BAT1的电压小于28V则自行充电。
打开ALT2的开关，ALT2的励磁模块上电并向ALT2提供励磁电流，ALT2的励磁模块实时监测Main Dist Bus2的电压。当发动机转速合适时，励磁模块实时调整励磁电流，令Main Dist Bus2的电压为28.75V，因Main Dist Bus1与Main Dist Bus2之间及其与Essential Bus之间均有二极管存在，且Main Dist Bus2的汇流条电压大于Main Dist Bus1的汇流条电压，所以此时Main Dist Bus1的电能无法到达Main Dist Bus2和Essential Bus，ALT1的负载将减小，ALT1励磁电流需降低才能继续将Main Dist Bus1的电压维持在28V。ALT1与ALT2的电流采样电阻均与GEA通过2A保险丝连接，当ALT输出电流时，MFD上的电流指示为正。因此，如果发动机未起动时MFD上的ALT有电流显示，或发动机运转时ALT电流无指示或指示异常，应根据图2，先排除器件及连接故障，再使用G1000的电流零点校准功能进行电流校准。
4 故障排除中的理论误区
故障排除中存在以下几个理论误区，分别进行探讨。
1）误区一：认为二极管导通后正向压降为定值。
该MCU内部的四个主要二极管型号均为HF135NH40PBF，开启电压约为0.36V。但根据数据手册中绘制的伏安特性曲线，二极管结温在25℃、正向为电流80A时，其设计正向压降应为1.45V（见图3）而不是0.36V。0.36V只是二极管的开启电压，即二极管内部PN结内部电场被反向消除的最小电压。二极管开启时可以通过的电流较小，且二极管在流通相同电流下，结温越高，管压降越低。
2）误区二：认为当流过保险丝的电流大于保险丝上所标注的电流时，二极管一定烧坏，不超过标注电流时，二极管不可能烧坏。
保险丝类似半导体器件，为温敏器件，工作小环境所在温度越高性能越差，即相同电流情况下越容易被烧断。另外，保险丝的设计原则是可以快速切断短路电流，但可在一定时间内允许短时过载电流，并可通过数据手册较为精确地查询在何种工作环境温度下通过多大电流时在多少秒内安全烧断。最后，为了避免因工作环境温度变化等因素导致非正常烧断影响设备正常使用，一般将保险丝性能降档25%使用，既能满足安全需求，又能防止保险丝经常性的非正常烧断。保险丝被烧断后不应只做简单更换就直接上电测试或放行飞机，必须先根据保险丝的烧断痕迹判断和排除短路等电路故障后再进行更换，否则可能造成飞机设备损伤。
3）误区三：继电器的控制线圈只有在飞机电压正常时才能吸合继电器，一旦电压降低至正常电压以下，继电器将断开。
经实际测试，BAT1继电器的型号为24214，作动线圈电阻约67Ω，开启电压约为12.6VDC，最低保持电压约为6.5VDC，说明在排除振动、温度等因素影响后，该继电器理论上只需12.6VDC左右的控制电压即可接通。但24～28V的控制电压可以令继电器的接通更牢靠，且只有在控制电压降低至6.5VDC左右及以下时，继电器才会断开。
5 总结
根据绘制的MCU内部电路详图，对MCU电路板及板载元器件和电路控制原理进行了介绍，并对维修工作中存在的几种排故误区举例说明，以期对SR20G3飞机的电源系统的原理深入研究和故障诊断起到一定的借鉴作用。
参考文献
[1] Cirrus公司. SR20G3飞机维护手册B9版[Z].
[2] Cirrus公司. SR20G3线路图手册B9版[Z].
[3] LittleFuse公司. Littelfuse_ Fuseology_ Selection_Guide [Z].
[4] VISHAY公司. HFA135NH40PBF_ datasheet [Z].
[5] RoHS公司. J1181CS24VDC.60_ datasheet [Z].