某动车组照明电源模块连接器故障分析

某动车组照明电源模块连接器故障分析

王彦卓，魏兴丽，胡传捷，沈立伟

（中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山，063000）

摘要：近些年来，高速铁路、高速动车事业蓬勃发展，带动了沿线铁路地区的经济发展，给人们出行带来了极大地便利，照明系统作为车内环境的重要组成部分，为乘客营造了温馨舒适的乘车环境。但照明系统如果发生故障造成灯熄灭或者闪烁，则会对乘客产生一定的困扰，影响其乘车的体验和心情，故照明系统故障需尽快查明原因并更改。本文对某动车组照明电源模块连接器的故障进行了分析，并列出了解决措施。

关键词：照明；电源模块；连接器；故障

1 照明系统介绍

某照明系统由筒灯、行李架下灯带、侧顶灯带、中顶灯带、电源模块和调光调色温控制器组成，其中筒灯提供端部通道的照明，行李架下灯带、侧顶灯带和中顶灯带提供客室的照明，电源模块为侧顶灯带和中顶灯带提供电源，调光调色温控制器可对整个客室的照度和色温进行调节。

2 问题描述

2020年3月根据售后人员反馈，某动车组出现了数起客室照明侧灯电源模块输出连接器烧坏故障，故障现象为连接器接线端口处发黑或碳化，如下图1所示，个别烧坏严重的连接器会导致本电源模块无输出，照明供电切换为备用电源模块供电。

图1  电源模块连接器接线端口发黑

现场调查发现故障连接器为侧灯电源模块输出连接器，编号为X2，负责驱动侧灯和中顶灯，故障点为连接器的第一针，即X2/1 点位，点位定义为LED+，为电源模块输出正极，该点位出现断路即导致单侧车厢的侧灯和部分中顶灯不亮。

故障电源涉及到两种型号，两种电源模块的输入输出接口、外形尺寸和功能完全相同，前者额定功率为300W、后者额定功率为400W，后者为前者的功率升级版。

故障电源生产日期多为2019 年，400W 规格相对较多。

普查结果显示问题连接器均为输出端第 1针变黑或碳化，电源模块使用最长时间两年左右，故障现象有一定的共性。

3 故障分析

3.1基本功能测试

对返修电源进行通电测试，结果发现有 1只电源模块无输出，其它的电源输入输出性能均正常。

3.2老化测试

将不良品电源模块在室温 25℃环境下带满载进行老化测试，工作两小时后用红外测温仪观测，发现此时输出连接器 X2的第1点（故障点）表面为107℃，第2点位为 62℃，其它点位为 50℃，测试结果表明第1点位为发热源，温升明显高于其它点位，测试结果如下图2所示。

图 2 连接器第 1点位温度（左）连接器第 2点位温度（右）

更换全新连接器后再测试，X2连接器所有点位均在 50℃左右，与周围器件温度相同。对比老化测试结果可以看出，X2连接器正常时自身不会产生较大热量，只有出现故障时才会产生较大热量，发热点位在第1点。

3.3电源模块拆解分析

拆解不良品电源模块，观察电源板底部，发现大部分电源输出连接器的第 1针脚焊盘和铜箔有不同程度的发黑迹象（如下图3所示），其中无输出电压的电源板相对较为严重，万用表检测发现该处铜箔已经烧断，为断路状态。焊盘表现为明显的热损坏，在此说明 X2连接器的第 1点位存在较高温度。

图3

3.4插头拆解分析

拆解不良品电源上的插头发现，插头的第 1点位内部塑料件有明显因高温导致发黑现象，如下图 4所示，同样表明该处存在较高温度。该项目所用连接器和印制线路板均采用防火阻燃材料，阻燃等级达到 UL94-V0等级，上述故障不会导致相关器件或组件引起火灾隐患，故障后不会产生持续的烟雾，因此不会触发电器柜内烟雾报警器。

图4

3.5连接器接触电阻测试

将连接器装到电源板上，用低电阻测试仪测试压线端到插座焊盘之间的电阻值，全新连接器为3.1mΩ，在合理范围内，人为摇晃连接器阻值不发生变化；而不良品电源上的连接器的电阻值在摇晃状态下阻值会发生变化，最低时为39mΩ，最高时为195.8mΩ，高出前者数十倍，测试数据如下图5所示。

连接器是承载电流的载体，根据焦耳定律 Q=I2RT（Q为热量、I为电流、R为电阻、T为时间），其自身发热与自身阻值之间成正比，即接触电阻越大自身触点发热量越大。

正常情况下连接器接触电阻不会大于 5mΩ，按照 7.5A电流计算，自身功率损耗 P=I2R，为 0.28W，功耗较少，发热量很小；而当接触电阻提高到195.8mΩ时，自身功耗为11W，功耗较大，导致发热量较大。

图 5 全新连接器电阻值（左）故障连接器电阻值（右）

结合以上观察和测试结果可以看出，不良品电源模块X2连接器内部发热量过高是因为故障点位的触点接触电阻过高导致。该点位将热量传导至连接器塑料件、线路板焊盘和外接导线上，导致这几个部分出现发黑或碳化现象，当线路板铜箔因过热出现铜箔脱落时，该点位与外界导线之间出现开路，电源无输出，灯具不亮。

综上分析，电源模块连接器仅第 1针烧坏的原因：

（1）电源模块的输出采用的是两个负极共用一个正极方式，第 1针（即正极）的工作电流比其它端口大，当插座插头出现不完全接触时会加剧自身影响。                            （2）第 1针在端子的最外侧，接线时最容易受应力影响。

5.更改措施

电源模块X2连接器的第1点位和第4点位都为LED+，在电源板上是相互并联关系，但是引出导线到灯具内部后第4点没有接线，因此在灯具内部这两个点位没有并联。通过实验发现，如果将连接器的1、4点位引出线在灯具或电气柜里的接线端子排上并联的话，第1点位的接触电阻会明显下降，可靠性和电流承载能力也会大幅度提升。

以故障电源上的连接为例，并联前第 1点位的接触电阻值为195.8mΩ，而且人为摇晃连接器时阻值会发生变化，1、4点位引出线并联后其阻值降低到2.7mΩ，摇晃连接器阻值不发生任何变化。

将故障电源带满载对比测试，并联前第 1点位的电流为7.5A，工作半小时后该处表面温度为100℃，并联后该处电流为3.6A，工作 5小时一直维持在42℃左右。并联后将负载提升至12A，进行极限性能测试， 1点位电流为6.2A，工作 5小时候温度一直维持在 55℃左右。实验照片如下图6所示。

图 6 连接器 1、4点位引出线独立图（左）引出线并联（右）

实验数据显示将故障电源X2连接器的1、4点位引出线相互并联可以大幅减小第 1点位的接触电阻值、提高可靠性，同时还能起到很好的电流分摊效果。

将电源X2连接器1、4点位引出线相互并联，目的是将这两个点位合并成一个点位使用，降低接触电阻，利用的是电阻并联后阻值变小、整体载流量变大原理，由于这两点的功能和定义完全相同，因此并联不会改变电源的任何功能和性能，更不会对灯具造成任何影响。

现车接线方式如下图7所示，侧灯电源的输出导线经过电气柜分线端子排接到了侧灯灯具连接器上，灯具上的4、5、6点位预留，没有接线。因此，如果将第1只侧灯内部输入连接器的1、4点位短接就等同于将电源模块输出端的1、4点位短接。优化后接线方式如图7所示。

图7 现车接线方式 （左）  优化后接线方式（右)

6. 结束语

本文分析了某动车组照明电源模块故障原因，并列出了解决措施，可供其他车型照明类似故障借鉴参考。

参考文献：

[1]杨妮. 电源连接器温升仿真研究. 机电元件. 2017年5期

[2]陈晓亮. 广州地铁5号线列车紧急照明故障调查分析. 城市轨道交通研究 .2011年7期