铁路信号灯控制电路的可靠性分析(号称低温不良困扰了三年）
今天早上，我刷头条看到了一位网友发布的微头条，如下：
一个小问题困扰了公司三年，到现在还没有解决！
公司前些年生产的铁路信号灯，上道以后大部分都正常。但是在非常寒冷的冬天，会有那么几台产品突然出现灭灯的情况。抢修人员把它们从信号机上拆下来后再反复测试，所有参数却都正
铁路信号灯是要求高可靠性的产品，如果发生了故障，火车都会被迫停下来。所以尽管出问题的数量少，但问题还是很严重的
由于问题都发生在东北、内蒙最寒冷的冬天，气温一般零下二、三十度的时候，故怀疑是个别零件的低温性能差导致的
然而我们把返回来的故障信号灯放入低温老化箱，长时间进行低温测试，问题却始终暴露不出来。即使把温度降到零下65度，它依然工作地好好的。不过结合现场的电流监测数据，我们知道故障发生的范围是假负载驱动电路
近些年的铁路信号灯逐步更换成了长寿命的LED灯泡，但它太省电了，带来一个问题就是回路的工作电流下降至原来的五分之一了，直接导致机械室的灯 丝继电器无法正常吸合
所以LED信号灯的内部装了一个假负载，用来把回路电流提升到原来的正常范围。这个假负载电路在LED灯珠正常点亮时保持接通，不正常时会断开。但是这些年陆续遇到好几例，LED灯珠正常点亮时假负载突然断开，造成灭灯故障
这个假负载电路很简单，就是用一个NPN型的小功率三极管(PBSS4160T)来驱动一个小继电器来控制假负载的通断，三极管的基极受到LED灯珠工作电流的控制。如果LED灯珠工作正常，电流检测芯片就会输出一个2.3V左右的电压,这个电压再输入一个双运放构成的两个电压比较器。一个比较器反相端电压值设定为0.5V，如果LED灯珠开路时会低于它，从而输出低电平断开假负载。另一个比较器同相端电压值设定为４V，如果LED灯珠短路时会高于它，也会输出低电平断开假负载
我们一直怀疑是三极管的基极电流Ib太小，只能达到临界饱和。气温骤降后，导致三极管的β值大大降低,从而退出饱和状态,使得假负载继电器无法被正常驱动
然而无论是理论计算还是实际试验，都无法证明是因为Ib太小造成三极管无法饱和导通。因为该三极管的常温β值有400多，在零下40度时会降到200多。假负载继电器的工作电流为80mA，这样计算出来Ib值:80/200=400uA已经足够可以让三极管饱和导通了，而实际上我们给的Ib值有855uA了
并且常温下测试，Ib值200uA时三极管已经饱和了。即使把温度降到最低零下65度，三极管依然饱和导通的妥妥的。此时还因为温度太低，使得假负载继电器的工作电流上升至97mA，应该吸合地更紧才对
总之就是这个不具备普遍性的软故障已经成了世纪之迷了，无论怎样验证，都无法找出来原因。每到严冬，只能祈祷少出几例问题了。。。。。。。。。。。
原文
电路图
分析数据
说实话，看到这个微头条，我非常震惊。
想不到人命关天、不能有任何失误的铁道信号灯控制居然用这么简陋的设计，根本没有可靠性设计的考量。
这就不难理解为什么几年前会有温州动车事故的发生；
可靠性是设计出来而不是测试出来的。
试验的目的不在于验证可靠性，不是用于验真，而是辅助可靠性的理论分析，或者是证伪。
更多的应该是通过可靠性的分析方法，比如WCCA分析，DFMEA分析对设计做完整彻底的分析。
试验的样品数有限，不可能穷举器件的偏差，也不能模拟所有实际的使用情况。
按照DFMEA分析，出现了可能导致车毁人亡的重大不良，且持续时间已长达2-3年，这个后果是最高等级的，应该是立即采取相应措施。
要么停止使用，要么找出问题根源，立刻进行整改。
几年过去了，还在纠结零下40度时β的数值。
然后，每到严冬，只能祈祷少出几例问题，把广大乘客的生命安全托付给上帝。
可靠性分析以我从事汽车电子开发经验以及了解的某特SDS来看，初步一看，至少有以下问题：
1) 单一三极管可能不足以提供足够的集电级的电流驱动继电器，应该用复合三极管比如达林顿管来驱动。
2) 不管什么三极管，不管常温下的放大倍数如何，考虑环境、老化、初始误差，其最小电流放大倍数应该以30来计算。
3) 三极管的BE极之间应该并接一个电阻，以泄放漏电流，避免漏电流被放大，使得继电器被误吸合。
4) 在集电极电流比较大时，三极管的C、E极的饱和导通电压比较大，5V的继电器用5V电源来提供线圈电压，扣除C、E极的饱和导通电压，可能不能满足75%的吸合电压的要求。
一般需要适当增加5V电源的电压，比如用5.20V，或者选择线圈电压更高的继电器，比如9V或者12V。
5) 应该用WCCA方法分析所有器件的所有相关参数的误差（包括环境、老化、初始误差），该文提到的电路，参数多，器件多，很难采用极值法进行分析，可采用蒙特卡洛的数值模拟方法进行分析。
几个器件参数以及偏差该例中的主要器件如下：
1) 继电器G5Q-14-5V。
从该网友提供的信息来看，线圈电阻59欧，典型的线圈电流为85mA，一般我们考虑最大20%的偏差，即需要提供85*1.2=102mA的线圈电流才能可靠吸合。
2) 三极管PBSS4160T
有几个相关的参数，B、E极的导通电压，C、E极的饱和导通电压，电流放大倍数 β。
B、E极的导通电压，不管什么三极管，某特SDS建议的范围为0.3V-1.2V。某产SDS建议的范围是0.3V-0.9V。
C、E极的饱和导通电压在电流比较大时，一般要按1.0V进行计算；
电流放大倍数，看下图曲线时，要格外注意“typical"这个字眼。
电放放大倍数曲线
放大倍数的不同器件的一致性很差，而且受环境以及集电极的电流影响巨大。
我们在做WCCA分析时，最小值都以30来计算。
2)电阻
5%精度的电阻，考虑老化以及环境偏差，需要考虑10%的偏差。
3)5V电压
需要根据实际电源芯片以及电路分析，一般5V需要考虑4.8V-5.2V的范围。
WCCA分析我将在另一篇文章中进行详细的WCCA分析的讲解。
从初步分析来看，有以下问题：
1) 三极管的C、E极的饱和导通电压太高，用5V的电源给5V线圈供电，可能会导致在极限情况下，不能满足线圈的75%吸合电压的要求，导致不能正常吸合。
2) 考虑三极管30倍的放大倍数，1.2V的B、E极的导通电压，以及最大到110%的电阻值，以及4.8V的最低电压。则B极电流最小可能到(4.8-1.2)/(5*1.1)=0.654mA，C极的最小电流仅为：19.62mA。不能满足三极管饱和导通的要求，不能提供足够的吸合电流，不能保证继电器被吸合。
建议1) 排查所有的器件是否能满足工作环境要求，特别是低温工作环境要求。
2) 结合本文中所提供的极限参数、实际电路以及器件规格，再深入彻底采用WCCA分析方法做理论分析，特别注意的是极限情况下放大倍数只能取30。
3）单一三极管的放大倍数可能不够，需改用复合管或者NMOS，需要选用带保护的NMOS(比如NCV8401)，做好反向电压保护；
4) 5V电源电压太低，不应该采用三极管，而应该选用带保护的NMOS，或者需要提高5V电压，或者选择线圈电压更高的继电器。
5) 电阻R12和R18阻值太大，应该用百欧数量级的电阻。
6) 三极管B、E值之间需要并联泄流的电阻。避免漏电流将继电器误吸合。
7)带触点的控制可靠性比较差，甚至可能在低温条件下因为触点表面的水汽结冰而影响导通，可以用不带触点的固态继电器。
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