景德勝，張 坤

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065； 2.中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300)

0 引言

導(dǎo)發(fā)架作為飛機(jī)和導(dǎo)彈的紐帶起著承上啟下的作用，用于載機(jī)懸掛和發(fā)射導(dǎo)彈。主控計(jì)算機(jī)作為導(dǎo)發(fā)架的核心組成部分，對(duì)上接收載機(jī)下發(fā)的各項(xiàng)指令數(shù)據(jù)、上報(bào)導(dǎo)彈的狀態(tài)信息；對(duì)下負(fù)責(zé)導(dǎo)彈的供配電管理、控制導(dǎo)彈按照火控流程進(jìn)行工作、直至導(dǎo)彈安全發(fā)射離機(jī)。

導(dǎo)彈離架前由導(dǎo)發(fā)架負(fù)責(zé)供配電，離架發(fā)射后供電由自身的熱電池提供。為保證導(dǎo)彈正常發(fā)射，發(fā)射前導(dǎo)彈要進(jìn)行導(dǎo)引、飛行控制、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制以及火工品引爆控制等系統(tǒng)的自檢，確保導(dǎo)彈發(fā)射前處于正常工作狀態(tài)[1]。一旦檢測(cè)到導(dǎo)彈工作異常，導(dǎo)彈控制系統(tǒng)應(yīng)轉(zhuǎn)入應(yīng)急/安全狀態(tài)，同時(shí)主控計(jì)算機(jī)切斷給導(dǎo)彈的供電，確保載機(jī)和導(dǎo)彈的安全。主控計(jì)算機(jī)安裝在電磁環(huán)境復(fù)雜的導(dǎo)發(fā)架內(nèi)，供配電除滿足導(dǎo)彈供電電壓、電流的要求外，還要響應(yīng)靈敏，防止在出現(xiàn)異常時(shí)不能及時(shí)切斷導(dǎo)彈電源，同時(shí)要防止過(guò)于靈敏而易受高頻信號(hào)干擾發(fā)生虛警的情況，還需滿足彈載產(chǎn)品小體積、輕重量及散熱等要求。

1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的導(dǎo)發(fā)架供配電管理主控計(jì)算機(jī)只產(chǎn)生供電輸出控制信號(hào)，電源輸出執(zhí)行部分由外部的電磁繼電器驅(qū)動(dòng)板負(fù)責(zé)，這種供配電方式供電控制信號(hào)暴露在計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)板之間，易受電磁干擾影響，硬件結(jié)構(gòu)分散[2]。使用的主要部件電磁繼電器因包含電路、磁路和可動(dòng)的機(jī)械部件，器件組成復(fù)雜、可靠性相對(duì)較低[3]。如2002年3月某型火箭在發(fā)射前地面檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)發(fā)控設(shè)備出現(xiàn)故障，最終定位于某型電磁繼電器批次性功能異常，造成重大損失。本方法將導(dǎo)發(fā)架對(duì)導(dǎo)彈的供配電管理的控制和輸出均集成在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)。

1.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要包括上電狀態(tài)控制設(shè)計(jì)和隔離設(shè)計(jì)兩部分。

主控計(jì)算機(jī)采用DSP+FPGA的處理架構(gòu)，產(chǎn)品上電以后正常工作之前，因處理器復(fù)位、邏輯芯片加載程序等需要耗時(shí)120 ms左右，在此期間，主控計(jì)算機(jī)無(wú)法發(fā)出控制指令和信號(hào)。為了保證導(dǎo)發(fā)架下端導(dǎo)彈在此時(shí)間段處于斷電狀態(tài)，利用控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片在其輸出使能為無(wú)效狀態(tài)時(shí)所有輸出管腳均為高阻態(tài)的特性，防止供配電控制開(kāi)關(guān)在上電過(guò)程中誤動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)上電過(guò)程狀態(tài)的控制。

主控計(jì)算機(jī)處理器芯片、可編程芯片等供電及信號(hào)均小于5 V，導(dǎo)彈供電為28 V，工作電流在10 A左右，兩者壓差較大，若不采取隔離措施導(dǎo)彈供電接通/斷開(kāi)瞬間產(chǎn)生的電磁干擾可能會(huì)導(dǎo)致主控計(jì)算機(jī)工作異常。本設(shè)計(jì)中隔離點(diǎn)設(shè)置在控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)器后、電流輸出開(kāi)關(guān)前，使用光電耦合器進(jìn)行信號(hào)的隔離。

1.2 輸出電路設(shè)計(jì)

針對(duì)導(dǎo)彈工作特點(diǎn)和安全性的要求，供配是輸出電路需要滿足閉合迅速/關(guān)斷靈敏，閉合迅速可保證導(dǎo)彈在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定的電壓和電流，減少電源穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)工作帶來(lái)的影響，關(guān)斷靈敏的目的是保證異常情況下可及時(shí)切斷導(dǎo)彈供電以確保安全；需要具備電壓檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)功能，過(guò)高或過(guò)低電壓都會(huì)對(duì)導(dǎo)彈的正常工作帶來(lái)嚴(yán)重影響，過(guò)流會(huì)造成導(dǎo)彈甚至導(dǎo)發(fā)架的損毀，后果非常嚴(yán)重；要有反向保護(hù)設(shè)計(jì)，導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)彈上熱電池激活供電后，會(huì)有電壓倒灌到主控計(jì)算機(jī)，因此輸出電路還需要具備反向保護(hù)功能。

經(jīng)對(duì)多種器件進(jìn)行比較分析得到的功率開(kāi)關(guān)可滿足主控計(jì)算機(jī)輸出電路的設(shè)計(jì)要求。功率開(kāi)關(guān)為半導(dǎo)體器件，通常采用電阻檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的檢測(cè)。功率開(kāi)關(guān)電流檢測(cè)方法分為低邊電流檢測(cè)和高邊電流檢測(cè)：低邊電流檢測(cè)將檢測(cè)電阻放置在負(fù)載和電路地之間，檢測(cè)電阻上的電壓通過(guò)運(yùn)放放大后采集；高邊電流檢測(cè)將檢測(cè)電阻放置在電源和負(fù)載之間[4]。低邊電流檢測(cè)因共模電壓接近地電位，可采用低成本、低電壓運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，但存在檢流電阻會(huì)引入地線干擾和無(wú)法檢測(cè)電源與地短路時(shí)的短路電流兩個(gè)缺點(diǎn)。因此主控計(jì)算機(jī)輸出電路選用高邊功率開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

導(dǎo)發(fā)架主控計(jì)算機(jī)是一臺(tái)以DSP處理器為核心的嵌入式計(jì)算機(jī)，包括母板、電源模塊、處理模塊、模擬量模塊和離散量模塊，主控計(jì)算機(jī)各模塊通過(guò)連接器插裝在母版上，各模塊之間通過(guò)母板完成信號(hào)交聯(lián)，電源模塊通過(guò)母板向各個(gè)模塊提供數(shù)字電源和模擬電源。

導(dǎo)彈供配電管理的控制、隔離和輸出分別分布在處理模塊、離散量模塊和母板上，輸出部分設(shè)計(jì)在母板上的主要原因是考慮功率開(kāi)關(guān)的散熱設(shè)計(jì)。

2.1 功率開(kāi)關(guān)輸出控制電路

功率開(kāi)關(guān)控制信號(hào)電路采用光電耦合器進(jìn)行隔離。FPGA芯片輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后轉(zhuǎn)換為TTL電平，當(dāng)FPGA芯片輸出為低電平時(shí)，光電耦合器前級(jí)二極管導(dǎo)通，后級(jí)輸出為地；當(dāng)FPGA輸出高電平時(shí)，光電耦合器前級(jí)二級(jí)管截止，后級(jí)輸出為懸空，光電耦合器的輸出通過(guò)連接器接到母板上，控制母板上的功率開(kāi)關(guān)。功率開(kāi)關(guān)輸出控制電路見(jiàn)圖1。

光電耦合器選用東芝半導(dǎo)體的TLP621系列產(chǎn)品，其前級(jí)導(dǎo)通壓降約為1.15 V，導(dǎo)通電流為5～20 mA，選取330 Ω電阻作為限流電阻，經(jīng)計(jì)算實(shí)際導(dǎo)通電流約為11.6 mA，消耗功率44 mW；光耦后級(jí)輸出電流推薦值最大10 mA，實(shí)際負(fù)載電流不超過(guò)2.4 mA，設(shè)計(jì)滿足光電耦合器及功率開(kāi)關(guān)的要求。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器245手冊(cè)參數(shù)，其5 V端口高電平輸出下限為3.7 V～24 mA，當(dāng)光電耦合器處于截止?fàn)顟B(tài)(即驅(qū)動(dòng)芯片輸出為高電平)時(shí)，按照驅(qū)動(dòng)器輸出下限計(jì)算，光耦前級(jí)電流小于1 mA，光耦不會(huì)誤導(dǎo)通。上電過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)芯片輸出使能信號(hào)為無(wú)效狀態(tài)(高電平)，所有輸出管腳保持高阻態(tài)，同時(shí)在處理模塊上開(kāi)關(guān)量輸出端設(shè)計(jì)上拉電阻R1，可保證上電過(guò)程中控制信號(hào)輸出為高，防止開(kāi)關(guān)量誤動(dòng)。

圖1 信號(hào)處理示意圖

2.2 功率開(kāi)關(guān)電路

導(dǎo)彈需要輸入電流最大為10 A，由于電流較大，考慮到印制板與各模塊連接器電流的承受能力，功率驅(qū)動(dòng)功能在母板上實(shí)現(xiàn)，選用Infineon公司高邊功率開(kāi)關(guān)BTS660。BTS660功率開(kāi)關(guān)具有高精度、大電流和通過(guò)自我開(kāi)啟功能實(shí)現(xiàn)反向電池保護(hù)的特點(diǎn)，其內(nèi)部設(shè)計(jì)有靜電放電保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路、輸出電壓檢測(cè)電路、防止過(guò)載的負(fù)載檢測(cè)限制電路和電流檢測(cè)與保護(hù)電路[5]，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1[6]。

表1 功率開(kāi)關(guān)主要性能指標(biāo)

功率開(kāi)關(guān)BTS660由離散量模塊提供的懸空/地離散量輸出控制，當(dāng)離散量輸出懸空時(shí)功率開(kāi)關(guān)截止，當(dāng)離散量輸出接地時(shí)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。功率開(kāi)關(guān)電路示意見(jiàn)圖2。圖中電阻R1、R2為1 kΩ電阻，C1為輸出濾波電容，選用耐壓值為50 V、容量為10 μF的瓷介電容。根據(jù)手冊(cè)推薦，設(shè)計(jì)時(shí)4路輸出短接在一起。

圖2 功率開(kāi)關(guān)電路示意圖

2.3 熱設(shè)計(jì)

BTS660作為功率開(kāi)關(guān)，是主控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)散熱的主要考慮因素。設(shè)計(jì)時(shí)將功率開(kāi)關(guān)布置在靠近機(jī)箱壁的位置，通過(guò)導(dǎo)熱墊與機(jī)箱壁良好接觸，通過(guò)機(jī)箱散熱；同時(shí)在功率器件所處的母板上大面積設(shè)計(jì)覆銅層，以提高散熱效率。

3 熱仿真驗(yàn)證

導(dǎo)發(fā)架主控計(jì)算機(jī)工作環(huán)境惡劣，為保證供配電管理部分設(shè)計(jì)在高溫下可正常工作，對(duì)主控計(jì)算機(jī)散熱機(jī)箱進(jìn)行仿真分析。

3.1 模型設(shè)計(jì)

為降低仿真計(jì)算的復(fù)雜程度，減少計(jì)算時(shí)間，在不影響計(jì)算精度的前提下對(duì)仿真模型進(jìn)行了一系列的簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)件內(nèi)外圓角、螺孔、凸臺(tái)等對(duì)散熱無(wú)影響的細(xì)小結(jié)構(gòu)特征；接線區(qū)、接插件等對(duì)熱仿真結(jié)果影響較小的無(wú)功耗部件；零部件模型上的各種修飾特征，如圓角、雕刻字符等；對(duì)仿真結(jié)果影響較小的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，如密封圈、橡膠墊、鋼絲螺套、平墊、彈墊、螺母、開(kāi)口銷等。

3.2 仿真結(jié)果及分析

熱仿真時(shí)，網(wǎng)格劃分原則為：翅片間隙內(nèi)網(wǎng)格不少于3個(gè)，芯片厚度方向網(wǎng)格不少于3個(gè)，整機(jī)網(wǎng)格最大縱橫比不超過(guò)20，重點(diǎn)關(guān)注的芯片網(wǎng)格最大縱橫比不超過(guò)10，同時(shí)，在芯片周圍區(qū)域進(jìn)行適度的網(wǎng)格膨脹，以保證網(wǎng)格過(guò)渡均勻?？傮w網(wǎng)格數(shù)量為856 428。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行熱仿真分析，在環(huán)境溫度60℃時(shí)，整機(jī)最高環(huán)境溫度為102 ℃，最高溫度出現(xiàn)在母板上的BTS660位置，為該器件的殼溫，該器件結(jié)殼熱阻最大為33 ℃/W，按照在最大輸出電流10 A時(shí)功耗為0.9 W計(jì)算，其結(jié)溫約為131.7 ℃，該器件的資料表明其最大允許結(jié)溫為150 ℃，因此在上述溫度及功耗條件下，該器件能夠穩(wěn)定工作。

4 結(jié)論

本文提出了一種采用光電耦合器和功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)發(fā)架主控計(jì)算機(jī)供配電管理的設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)采用電磁繼電器進(jìn)行導(dǎo)彈供電控制的方法相比，本方法具有抗干擾能力強(qiáng)、集成度高和體積小的特點(diǎn)，為導(dǎo)發(fā)架供配電管理設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。本技術(shù)已應(yīng)用在某型導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)中，應(yīng)用效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁雅俊，肖明清，胡斌，等.某型導(dǎo)發(fā)架三相電源測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2016，35(5)：45-60.

[2] 于雅麗，賈紅莉，崔家慎. 通用發(fā)射控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 [J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21(5)：1248-1250.

[3] 張小東，王強(qiáng)，鄧桐彬，等.車載智能供配電控制設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2016，33(4)：85-90.

[4] MEHTA A. 低邊與高邊電流檢測(cè) [J]. 今日電子，2009，(5)：33-35.

[5] 張新華，黃建，張兆凱，等.高功率密度電動(dòng)伺服系統(tǒng)高壓驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].導(dǎo)航定位與授時(shí)，2016，3(3)：7-13.

[6] Infineon 公司.BTS660 數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].(2009-09-22)[2017-10-20]http://www.infineon.com/dgdl/BTS660P_20030925.pdf.