嚴(yán)殿啟 孟鵬飛

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

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火工品控制及供配電系統(tǒng)減少潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則

嚴(yán)殿啟 孟鵬飛

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

潛在電路對(duì)產(chǎn)品的可靠性影響很大，為提高電路設(shè)計(jì)可靠性，提出了火工品控制及供配電系統(tǒng)電路減少潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則。從潛在通路的預(yù)防、潛在定時(shí)的預(yù)防和電磁感應(yīng)損傷預(yù)防3個(gè)方面探討了避免潛在電路的設(shè)計(jì)方法，具體內(nèi)容涉及火工品限流電阻不能“共用”，同一時(shí)序控制的火工品回流點(diǎn)間結(jié)構(gòu)分布電阻不能過大，火工品測(cè)試電路的接地點(diǎn)必須與火工品一致、不能直接接電源地，系統(tǒng)火工品控制電路要避免使用“地側(cè)開關(guān)”控制，斷路器盡量避免設(shè)置在地端，測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)地要用一個(gè)接地極系統(tǒng)等。針對(duì)每條設(shè)計(jì)規(guī)則的示例表明規(guī)則是有效的，可支持電路的可靠性設(shè)計(jì)。

火工品控制電路；供配電；潛在電路

潛在電路(Sneak Circuit)的概念是最早由美國(guó)波音公司在完成阿波羅登月計(jì)劃期間針對(duì)電子電氣系統(tǒng)提出來的。當(dāng)時(shí)波音公司通過對(duì)許多重大故障與事故案例的研究，發(fā)現(xiàn)有許多故障與事故并不是由元器件失效引起的，而是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中固有狀態(tài)引起的。而這些狀態(tài)是設(shè)計(jì)者為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖而無(wú)意帶進(jìn)設(shè)計(jì)方案的，在這些狀態(tài)下系統(tǒng)存在著某些設(shè)計(jì)者未認(rèn)識(shí)到的電回路，不同程度地傳遞著某種能量流、信息流或控制信號(hào)流。系統(tǒng)的有關(guān)部分一旦被這些潛流所激發(fā)，就會(huì)產(chǎn)生非預(yù)期的功能或抑制了預(yù)期的功能，引起系統(tǒng)故障，有時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重事故：包括設(shè)備損壞和人員傷亡。

火工品對(duì)航天器發(fā)射或者飛行的重要性不言而喻，其能否準(zhǔn)時(shí)有效的起爆，直接關(guān)系著航天器能否發(fā)射成功及按預(yù)定程序飛行。同時(shí)，對(duì)任何一個(gè)電路而言，電源對(duì)電路的功能、性能有非常重要的影響，對(duì)電路中存在的潛通路要進(jìn)行仔細(xì)分析，將其消除。本文主要針對(duì)火工品控制和供配電系統(tǒng)電路，提出避免產(chǎn)生潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，文中提到的電源地系指電源負(fù)端或零伏點(diǎn)。

1 潛在通路(SP)的預(yù)防

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)則

(1)規(guī)則1

火工品橋絲的限流電阻不能共用，也不能用電纜的分布電阻代替，即使是并聯(lián)使用的火工品。

(2)規(guī)則2

火工品的控制指令觸點(diǎn)接有其它負(fù)載時(shí)，負(fù)載“地”端應(yīng)與火工品“地”端連接，而不宜與電源“地”相連，否則可能引入潛在電路。

(3)規(guī)則3

用共地電源控制火工品起爆時(shí)，在用同一個(gè)控制指令引爆相互距離較遠(yuǎn)的敏感火工品的情況下，相互距離較遠(yuǎn)的火工品的地端應(yīng)單獨(dú)連線接到火工品負(fù)母線上，不應(yīng)與其他火工品共用連接線。否則，其它的控制指令接通時(shí)，將由于連線電阻的存在而引入SP。

(4)規(guī)則4

盡量避免在源、地側(cè)混設(shè)斷路器。

(5)規(guī)則5

不同電源供電的設(shè)備或分系統(tǒng)要保持電源地和信號(hào)地的一致性。

1.2 示例

(1)規(guī)則1示例

共用限流電阻可能引入抑制火工品起爆的SP：當(dāng)一支橋絲(Rd1)發(fā)生短路故障時(shí)會(huì)形成對(duì)其它橋絲旁路的SP，從而抑制了其它橋絲的引爆功能，如圖1(a)所示。同時(shí)，也引入了使火工品的引爆電流一致性差的設(shè)計(jì)缺陷。一般最后引爆的橋絲電流大，可能超過允許最大電流值。應(yīng)遵循每個(gè)橋絲串聯(lián)1個(gè)限流電阻的規(guī)則，如圖1(b)所示。

圖1 火工品橋絲限流電阻原理圖

(2)規(guī)則2示例

如圖2所示，因?yàn)閷⒙?lián)鎖電路Ktl線圈的回流點(diǎn)就近接到了點(diǎn)火電源的地Gm，而沒有接到橋絲地Gh，所以已經(jīng)接通的指令(F3～F7)電流通過Gh到Gm形成了SP：Gh→尚未接通的火工品橋絲Rd6及其限流電阻→Ktl線圈→Gm，如圖2所示。

如果通過Ktl線圈的潛在電流使Ktl誤動(dòng)作，從而聯(lián)鎖延時(shí)繼電器Ky和脫落線圈TL動(dòng)作，會(huì)造成受TL控制的點(diǎn)火插頭XC意外脫落，中止點(diǎn)火，致使發(fā)射失敗。常見的“其他”負(fù)載還有：測(cè)試或遙測(cè)電路、隔離電路等。

圖2 某點(diǎn)火電路網(wǎng)絡(luò)森林示意圖

(3)規(guī)則3示例

如圖3(a)和(b)箭頭所示，其潛在電流隨Rl增大而增大，當(dāng)Rl大到一定程度，可能引起敏感火工品誤爆。對(duì)于鈍感火工品可能引起誤發(fā)K2測(cè)試信號(hào)。

圖3 火工品之間的SP示意圖

(4)規(guī)則4示例

如圖4所示的原理電路，在S1接通、S2和S3斷開的時(shí)間內(nèi)，由電路C1，C2和C3構(gòu)成了SP。C1和C3正向，而C2反向流過潛在電流，使得C1和C3可能在非期望的時(shí)間里產(chǎn)生誤輸出，C2則可能受損傷。

圖4 源、地側(cè)混設(shè)斷路器示意圖

由于違背了規(guī)則4而引起的SC是比較多的。為了加深理解，再舉2個(gè)示例。

1)示例1

某指示電路如圖5所示。設(shè)計(jì)意圖是：被指示信號(hào)發(fā)出后，Kh吸合，其觸點(diǎn)(相當(dāng)于地側(cè)開關(guān))使Kg吸合，同時(shí)指示燈ZDh亮。

按加電順序，要先接通Sm1，然后接通Sb1。在操作間隔時(shí)間內(nèi)，存在+M1→ZDh→Kg→+B1負(fù)載電阻Rh→電源地GM，形成了SP。由于Rh很低，因此ST引起的潛在電流較大，如果達(dá)到Kg的吸合電流值，Kg將誤吸合，危害嚴(yán)重。若使ZDh發(fā)亮則形成SI，引起操作人員誤判。

圖5 某指示電路網(wǎng)絡(luò)樹

2)示例2

某控制電路如圖6所示，設(shè)計(jì)的狀態(tài)是：由某指令Zt作為地側(cè)開關(guān)，將火工品負(fù)母線-H接到K7線圈負(fù)端，使K7吸合并自保于B4。其觸點(diǎn)分別將啟動(dòng)控制線圈兩端接到電池B4的正、負(fù)端，完成啟動(dòng)。經(jīng)延遲發(fā)分離插頭電分指令，觸點(diǎn)ZTF閉合，接通電分線圈Ldf，使分離插頭分離。

在一種測(cè)試狀態(tài)，脫落插頭XC不脫落，不啟動(dòng)。通過XC控制火工品母線±H 不接通的方式來實(shí)現(xiàn)(Zf常開觸點(diǎn)不閉合，串聯(lián)的常閉觸點(diǎn)Zf閉合，將母線±H節(jié)點(diǎn)短路)，在此狀態(tài)下，當(dāng)常開觸點(diǎn)Zt閉合時(shí)，存在+B3→K7線圈→Zt觸點(diǎn)→ -H節(jié)點(diǎn)→常閉觸點(diǎn)Zf→+H節(jié)點(diǎn)→XC→K8線圈→GB的SP。當(dāng)潛在電流達(dá)到K7的吸合電流值時(shí)，它就會(huì)誤吸合，引起Lqd誤啟動(dòng)。達(dá)到K8的吸合電流值時(shí)，K8也會(huì)誤吸合，形成SI(錯(cuò)誤地指示火工品母線+H已經(jīng)有電)。

圖6 某控制電路網(wǎng)絡(luò)森林示意圖

(5)規(guī)則5示例

采用這條規(guī)則可以有效減少設(shè)備或分系統(tǒng)之間的SP。如圖7中的他測(cè)接口電路，如果光電耦合器發(fā)光二極管V5和V7地端接GB2(即將GM2改為GB2),自測(cè)系統(tǒng)與他測(cè)系統(tǒng)之間就不會(huì)有SP，并且他測(cè)系統(tǒng)還能接收到信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試冗余。

圖7 某測(cè)試接口電路網(wǎng)絡(luò)樹

2 潛在定時(shí)(ST)的預(yù)防

2.1 設(shè)計(jì)規(guī)則

(1)規(guī)則1

火工品安裝后的測(cè)試線路設(shè)計(jì)，應(yīng)斷開點(diǎn)火電源插頭，只使用恒流或恒壓的安全電源，以保證絕對(duì)安全。

(2)規(guī)則2

地電阻(負(fù)母線電阻)應(yīng)盡量避免大電流電路和小電流電路共用，避免產(chǎn)生危害小電流電路的潛在路徑。

2.2 示例

(1)規(guī)則1示例

某火工品測(cè)試電路如圖8所示。連接火工品引爆電源(+M01)的插頭C+連接著，靠K01繼電器斷開。測(cè)試時(shí)J8吸合，其觸點(diǎn)使F3吸合。同時(shí)將恒流源F4的正、負(fù)端分別接到+DF和-DF，從而完成測(cè)試激勵(lì)。這種狀態(tài)自動(dòng)保持到對(duì)全部火工品測(cè)完，才自動(dòng)斷開J8。

如果在測(cè)試過程中需要緊急斷電，按操作規(guī)程斷開了K12，再去斷J8和M01電源。繼電器釋放時(shí)間為10ms，K12斷→K0斷→K01斷共需30ms，而操作人員在斷開K12后再去斷M01電源和J8，間隔時(shí)間至少也有300ms。在K01已經(jīng)釋放，而M01和J8繼電器尚未斷開(從而F3也未釋放)的時(shí)間內(nèi)，形成了2條ST路徑，如圖8所示。第1條SP路徑是：+M01→K01的常閉觸點(diǎn)→F3常開觸點(diǎn)→火工品限流電阻→火工品橋絲→-DF節(jié)點(diǎn)→C-→GM01。與設(shè)計(jì)期望路徑完全一致，持續(xù)時(shí)間又足夠長(zhǎng)，能引起電爆管誤爆。

圖8 火工品測(cè)試電路網(wǎng)絡(luò)森林

第2條SP路徑是：+M01→C+→K01常閉觸點(diǎn)→+F源內(nèi)阻→XC→-DF節(jié)點(diǎn)→C-→GM01，對(duì)恒流源充電，恒流源內(nèi)阻很大，不會(huì)損壞。但如果是內(nèi)阻很小的恒壓源，則損壞無(wú)疑。

(2)規(guī)則2示例

1)示例1

某系統(tǒng)H1電壓遙測(cè)接口電路隔離放大器YC與火工品共地GH11。從GH11到GH1的“共用”地電阻如圖9所示?；鸸て芬瑫r(shí)的大電流將通過共用地電阻使電池電壓+H11的遙測(cè)信號(hào)電平產(chǎn)生一個(gè)下跌。如果遙測(cè)電路的地從電池地GH1引出，就消除了引起遙測(cè)電平下跌的SP。

圖9 某遙測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)樹示意圖

2)示例2

某系統(tǒng)調(diào)壓電路、繼電器控制電路與伺服電機(jī)有共用地電阻，如圖10所示。Rl0和Rl1是共用地電阻，Rh3是調(diào)壓電路電阻，Rh2，Rh1和Rh4分別是3個(gè)小電流電路電阻，K13和K14是分離控制繼電器，Msf是伺服電機(jī)。

圖10 某供電電路網(wǎng)絡(luò)樹示意圖

當(dāng)Msf中流過大且變化的工作電流時(shí)，由Rl0形成的SP將使Rh3和Rh2的供電電壓降低且不穩(wěn)定；Rl0和Rl1形成的SP將使Rh1和Rh4的供電電壓降低且不穩(wěn)定；當(dāng)S3和S4閉合時(shí)，如果U1降低至K13和K14吸合電壓以下，K13和K14將不能及時(shí)吸合，從而抑制了控制指令按時(shí)發(fā)出。

3 電磁感應(yīng)損傷預(yù)防

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)則

在同一個(gè)電子電氣系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)地中不宜同時(shí)采用2個(gè)接地極系統(tǒng)。

3.2 示例

某系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)采用單獨(dú)接地樁(這在實(shí)際上就形成了獨(dú)立于廠房接地極系統(tǒng)的另一個(gè)接地極系統(tǒng))，其功放(SNA586)1次損壞5個(gè)，之后的工作也不穩(wěn)定。在進(jìn)行潛在電路分析時(shí)生成的網(wǎng)絡(luò)樹如圖11所示。圖中，N表示SNA586，1為柵極，2為漏極，3為源極；Z50表示工頻電源感應(yīng)耦合或漏電等效阻抗；ZT表示天電對(duì)廠房接地系統(tǒng)的耦合等效阻抗；Zo表示接于輸出電容端的電路對(duì)廠房接地系統(tǒng)(G0)的等效阻抗；Zi表示接于輸入電容端的電路對(duì)廠房接地系統(tǒng)(G0)；C0G0表示功能電路輸出端對(duì)(G0)的分布電容；CiG0表示功能電路輸入端對(duì)(G0)的分布電容；RG0表示廠房接地網(wǎng)(G0)對(duì)大地的電阻；RG1表示測(cè)試專用接地樁對(duì)大地的電阻；其他元件都是電路本身的元件。

圖11表明，各種結(jié)構(gòu)參數(shù)、分布參數(shù)與有關(guān)電路元件一起形成了明顯的“H”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而功能元件SNA586恰位于H形結(jié)構(gòu)的橫梁位置，其潛在通路非常明顯。

圖11 功放電路網(wǎng)絡(luò)樹

工頻電源U50感應(yīng)電流除了通過接地電阻RG1流入大地外，還通過如下4個(gè)橫梁路徑和RG0流入大地。這4條路徑是：

1)N/2,1→N/1,3→Co→Zo→RG0→ G；

2)N/2,1→N/1,3→C0G0→G；

3)N/2,1→CiG0→RG0→G；

4)N/2,1→Ci→Zi→RG0→G。

再看天電源ET，它的電流除通過RG0入地外，還通過下述4條路徑入大地：

1)Zo→Co→N/3,1→N/1，2→RG1→ G；

2)C0G0→N/3,1→N/1，2→RG1→G；

3)CiG0→N/1，2→RG1→G；

4)Zi→Ci→N/1，2→RG1→G。

上述對(duì)U50和ET源均存在的4條潛在路徑實(shí)際上就是電路中存在的4個(gè)“H”形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的4條橫梁。4條路徑都包含了功能元件N/1，2(或者N/2，1)分支，這意味著它們所承擔(dān)的“潛在電流”是四者之和，從這一點(diǎn)看，這一個(gè)分支受損的可能性最大。這一個(gè)分支就是SNA586的源-柵極分支。

很明顯，這4條潛在路徑即使不能損壞功能元件，也要引入對(duì)功能元件的干擾，這種干擾隨天電和工頻電感應(yīng)變化而變化，極不穩(wěn)定。G1和G0正是H形橫梁的端結(jié)點(diǎn)，而G0又是工頻電源中線引出點(diǎn)，在該情況下，不管哪個(gè)以G1作為保護(hù)地的設(shè)備漏電，都要將漏電壓直接加在橫梁上。如果是220V全漏(直接碰殼)，那么就是220V加在了橫梁的兩端，燒壞元件是必然的。

上述潛在通路存在的根本原因是采用獨(dú)立地(G1)作為系統(tǒng)保護(hù)地和信號(hào)參考地的接地方式，這種方式被定義為“TT”方式，它實(shí)際上是容易引入干擾并且也不安全的方式，在國(guó)軍標(biāo)GJB1696-93中不推薦使用。容易引入干擾的機(jī)理已如上述，不安全是因?yàn)樗孤╇姳Ｗo(hù)失靈，原因如圖12所示。

圖12 漏電保護(hù)原理圖

圖12(a)表明，在TT方式下，漏電流為I：

I=220/(RG0+Rdd+ RG1)

(1)式中，Rdd為2個(gè)接地點(diǎn)之間的地電阻。當(dāng)RG0+Rdd+RG1的值使I小于斷路保護(hù)器閾值時(shí)，就不會(huì)跳閘。因而就會(huì)使信號(hào)地(G1)帶有漏電壓，起不到保護(hù)作用。

圖12(b)說明，當(dāng)將G1和G0連起來后，就采用一個(gè)接地極系統(tǒng)，也就是在國(guó)軍標(biāo)GJB1696-93中推薦的航天系統(tǒng)的接地方式，稱為TN-S方式。在這種方式下，漏電流通過搭接線直接回到零線。一般搭接電阻是接近零值的極低阻抗(國(guó)軍標(biāo)要求搭接線應(yīng)為截面積不小于95mm2的銅線或160 mm2的鍍鋅扁鋼)，因而短路電流很大，能保證I大于保護(hù)斷路器動(dòng)作閾值而使之跳閘，從而起到保護(hù)作用。

圖13 采用TN-S方式時(shí)的網(wǎng)絡(luò)樹

當(dāng)采用TN-S方式后，G1和G0連接成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，消除了H形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，4條潛通路全部消失，如圖13所示。圖13中可以識(shí)別出7個(gè)“I”形結(jié)構(gòu)，11個(gè)“Y”形結(jié)構(gòu)，其中有2個(gè)I形和11個(gè)Y形包含有ET, U50，但是所有這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中ET和U50(感應(yīng)電或漏電)都是通往大地的，且只通過廠房接地極系統(tǒng)接地電阻RG0，不通過任何電路元件，因而具有較高的安全性和抗干擾性能。這是應(yīng)用潛在分析技術(shù)解決EMC問題的一個(gè)典型示例。

4 結(jié)束語(yǔ)

航天器具有高可靠性、高安全性的要求，需盡量避免潛在電路的存在，這就要求各級(jí)設(shè)計(jì)人員、電總體負(fù)責(zé)人員對(duì)潛在電路的特點(diǎn)和危害有深刻的認(rèn)識(shí)，一個(gè)復(fù)雜電子電氣系統(tǒng)，要消除潛在電路，不僅需要在設(shè)計(jì)完成后應(yīng)用潛在分析技術(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，更需要在設(shè)計(jì)過程中盡量避免引入潛在電路。本文針對(duì)火工品控制和供配電系統(tǒng)電路等，結(jié)合電路示例提出了8條避免潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，可為電路的可靠性設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 嚴(yán)殿啟.潛通路分析技術(shù)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2000，(1)：43-47.(Yan Dianqi.Sneak Passage Analysis Technology[J]. Missiles and Spacevehicles, 2000，(1)：43-47.)

[2] James L Vogas.Sneak Analysis of Applicalion Specific Integrated Circuits[C]. 1992 Aerospace Design Conterence February 3-6 ,1992.

[3] Jeff M. Sneak Circuit Analysis for the Common Man,ADA215275[R].Fort Belvoir: DTIC, 1989.

Design Rules to Avoid Sneak Circuit in Connection with Eed Control and Power Supply System

Yan Dianqi ，Meng Pengfei

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Sneakcircuithasgreatinfluenceonthereliabilityoftheproduct.Aimingatimprovingcircuitdesignreliability,thedesignrulestoavoidsneakcircuitarepresentedwithexamplesinconnectionwitheedcontrolandpowersupplysysteminthispaper.Threeaspectstoavoidsneakcircuitarediscussed,includingthepreventionofsneakpath,sneaktimingandelectromagneticinductiondamage.Thecontentsareinvolvedineedcurrentlimitingresistorthatcannotbeshared,distributedresistancethatcannotbetoolargeineedrefluxpointwiththesametimingcontrol,eedtestcircuitgroundthatmustbeconsistentwiththeeedwhichcannotbedirectlyconnectedtopowerground,avoidingtheuseof“ground-sideswitch”ineedsystemcontrolcircuit,avoidingsettingthecircuitbreakeratthegroundterminalandusingonegroundingsysteminthetestsiteetc.Theexampleforeachdesignruleindicatesthattheruleiseffectivetosupportcircuitreliabilitydesign.

Eedcontrolcircuit;Powersupplysystem;Sneakcircuit

2015-05-04

嚴(yán)殿啟(1935-)，男，吉林伊通人，研究員，主要研究方向?yàn)闈撏贩治黾夹g(shù)及其應(yīng)用；孟鵬飛(1982-)，男，河南商丘人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榭煽啃?、環(huán)境適應(yīng)性和測(cè)試性等通用質(zhì)量特性技術(shù)。

V448.15

A

1006-3242(2016)03-0083-06