李會(huì)兵 孫國(guó)先 張旭

摘要：針對(duì)從儲(chǔ)能電容兩端進(jìn)行分壓采樣的反饋電路，輸入和輸出端難以隔離；從變壓器原邊進(jìn)行采樣的反饋電路，不能直接反應(yīng)儲(chǔ)能電容的電壓，有可能會(huì)造成誤識(shí)別的現(xiàn)象，提出了基于光耦采集的高壓反饋電路。該電路利用光耦實(shí)現(xiàn)了電路輸入端與輸出端電氣隔離，提高了抗干擾能力，光耦從變壓器副邊直接采集儲(chǔ)能電容采樣電阻的電壓信號(hào)，利用光耦導(dǎo)通反饋到控制端控制MOS管導(dǎo)通與截止維持高壓儲(chǔ)能電容的電壓變化，直至起爆直列式爆炸序列。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：光耦采集的高壓反饋電路能可靠隔離輸入到輸出端的干擾信號(hào)，當(dāng)儲(chǔ)能電容的電壓值大于1000V時(shí)，在-30℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)，儲(chǔ)能電容充電電壓的最大誤差不超過(guò)100V。通過(guò)調(diào)節(jié)采樣電阻R采樣1的阻值能夠?qū)崟r(shí)控制儲(chǔ)能電容充電電壓的大小，滿足引信電子安全系統(tǒng)的起爆要求。

關(guān)鍵詞：引信電子安全系統(tǒng)；儲(chǔ)能電容；高壓反饋電路；光耦隔離；抗電磁干擾

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）07-0255-03

傳統(tǒng)爆炸序列之所以用隔爆機(jī)構(gòu)，是因?yàn)楸ㄐ蛄兄泻忻舾械幕鸸て罚谇趧?wù)處理及發(fā)射的沖擊振動(dòng)和電磁環(huán)境下不能排除偶然發(fā)火的可能性。如果爆炸序列中不包括敏感火工品，完全用不敏感火工品，前級(jí)和后級(jí)安全性相當(dāng)，就可以不用隔爆機(jī)構(gòu)，爆炸序列始終貫通，這就是“直列式爆炸序列”。起爆安全性與可靠性完全由電子裝置控制，這種安全系統(tǒng)稱為“電子安全系統(tǒng)”或“電子安全與解除保險(xiǎn)裝置（ESAD）”[1]。直列式爆炸序列的首發(fā)火工品是不敏感火工品，抗電磁干擾能力強(qiáng)，起爆激發(fā)條件在自然界很難產(chǎn)生，作用時(shí)要求儲(chǔ)能電容電壓必須大于1000V[2]，放電時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流脈沖才能完全起爆。維持儲(chǔ)能電容的高電壓，是利用高壓反饋電路將儲(chǔ)能電容的電壓值反饋到輸入端并保持穩(wěn)定，直至起爆不敏感火工品，因此，高壓反饋電路是引信電子安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于高壓反饋電路的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[3]提出了基于在儲(chǔ)能電容兩端直接采集的高壓反饋電路，即利用分壓電阻將連接于高壓變壓器副邊儲(chǔ)能電容的電壓值反饋到控制端，但是這種設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出端的地線隔離，抗干擾信號(hào)能力差；文獻(xiàn)[4]提出了基于變壓器原邊采集的高壓反饋電路，利用MOS管的導(dǎo)通與截止，間接的反映連接于高壓變壓器副邊儲(chǔ)能電容的電壓變化情況，這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)輸出與輸入端的地線隔離，但是采集變壓器的原邊，可能會(huì)造成誤識(shí)別的情況發(fā)生。

針對(duì)高壓反饋電路從儲(chǔ)能電容兩端進(jìn)行分壓采樣，輸入和輸出端難以隔離；從變壓器原邊進(jìn)行采樣，不能直接反映儲(chǔ)能電容電壓，有可能會(huì)誤識(shí)別的問(wèn)題，本文提出了基于光耦采集的高壓反饋電路。

1現(xiàn)有的電子安全系統(tǒng)高壓反饋電路

1.1 基于儲(chǔ)能電容兩端直接采集的高壓反饋電路

引信電子安全系統(tǒng)高壓電容（即儲(chǔ)能電容）電壓維持電路由控制器、動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)、脈沖變壓器、高壓電容器、高壓反饋單元組成。在高壓電容電壓維持階段，控制器通過(guò)對(duì)高壓電信號(hào)進(jìn)行采樣，控制動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)高壓電容電壓維持。安全系統(tǒng)高壓變換過(guò)程中，控制器輸出一定頻率的控制信號(hào)，控制升壓開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器工作，使其完成電能-磁能-電能之間的能量轉(zhuǎn)換，將低壓轉(zhuǎn)換成高壓，通過(guò)高壓硅堆給電容充電。從高壓端采樣的反饋電路通過(guò)分壓電阻將高壓電容的電壓值通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換反饋到控制端，輸出端的電壓僅僅通過(guò)電阻分壓反饋到輸入端。這種反饋控制設(shè)計(jì)的電路中，由于直接從高壓電容分壓得到反饋信號(hào)，難以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出端的隔離。高壓反饋電路原理框圖如圖1所示[3]。

1.2 基于變壓器原邊采集的高壓反饋電路

在充電電路的輸入端和輸出端不隔離的情況下，輸出端的高電壓將對(duì)電路的安全性和可靠性產(chǎn)生很大影響，為了解決使用反激式充電電路的電氣隔離問(wèn)題，變壓器原邊采樣的反饋控制電路從變壓器原邊進(jìn)行采樣，通過(guò)反饋控制電路控制高壓電容上的充電電壓，采用濾波方法消除漏感電壓對(duì)反饋電容電壓的影響。從變壓器原邊采樣反饋電路如圖2所示[4]。這種變壓器原邊采樣高壓反饋電路，由于直接采集變壓器原邊電壓，對(duì)變壓器次邊的電壓、電流參數(shù)，不能夠進(jìn)行有效的采集與識(shí)別，不能直接反映儲(chǔ)能電容的電壓變化，可能會(huì)造成誤識(shí)別的情況發(fā)生。

2 基于光耦采集的高壓反饋電路

基于光耦采集的高壓反饋電路原理框圖如圖3所示。

光耦的工作模式是：輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端完全沒(méi)有影響，開(kāi)始工作時(shí)光耦處于截止?fàn)顟B(tài)。在圖3中，光耦采集的高壓反饋電路將采樣電阻R采集1接入高壓組件，直接反映連接于高壓變壓器副邊儲(chǔ)能電容的電壓變化情況。在對(duì)儲(chǔ)能電容充電過(guò)程中，隨著儲(chǔ)能電容電壓的升高，U1采樣電壓逐漸升高，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器，對(duì)U1采樣電壓進(jìn)行電壓跟隨，控制光耦導(dǎo)通，U2采樣電壓逐漸升高，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理電路的電壓變換，微控制器進(jìn)行電壓采集與識(shí)別，控制MOS管導(dǎo)通和截止，實(shí)現(xiàn)向儲(chǔ)能電容的充電和充電電壓的維持。利用光耦采集能夠隔離在儲(chǔ)能電容充電和電壓維持過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)對(duì)MOS管控制端的影響，實(shí)現(xiàn)了控制地線與采樣地線的完全隔離。

光耦采集的高壓反饋電路是指利用光耦實(shí)現(xiàn)了電路輸入端與輸出端電氣隔離，提高了抗干擾能力，光耦從變壓器副邊直接采集儲(chǔ)能電容采樣電阻的電壓信號(hào)，利用光耦導(dǎo)通反饋到控制端控制MOS管導(dǎo)通與截止維持高壓儲(chǔ)能電容的電壓變化，直至起爆直列式爆炸序列。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于光耦采集的高壓反饋電路的可行性，設(shè)計(jì)了硬件測(cè)試電路。分為兩個(gè)方面進(jìn)行，（1）在-30℃～+60℃范圍內(nèi)，驗(yàn)證U1采集和U2采集之間的傳遞關(guān)系；（2）在-30℃～+60℃范圍內(nèi)，驗(yàn)證高壓反饋電路的可行性。

3.1 U1采集和U2采集之間的傳遞關(guān)系

將圖3的原理框圖進(jìn)行等效變換，在U1采集的輸入端直接注入電壓值，采集U2采集的電壓值，驗(yàn)證光耦對(duì)輸入端與輸出端的隔離特性。光耦選用了電流傳輸比CTR線性度較好的夏普公司的PC817B，為了保證光耦能夠可靠導(dǎo)通，U1采樣輸入電壓從1.5V變化到2.5V，在-30℃～+60℃范圍內(nèi)，測(cè)試U2采集的輸出電壓信號(hào)變化情況。具體測(cè)試原理圖如4所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中，采用信號(hào)源33220模擬輸入電壓信號(hào)，由于信號(hào)源的輸出功率較小，利用OPA348運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓跟隨，完成輸入信號(hào)的模擬。電阻R2取值510Ω，精度1%，電阻R2采樣取值510Ω，精度1%。

由表1可以看出，采用光耦后，通過(guò)電壓跟隨器能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)輸入端電壓的變化。當(dāng)輸入電壓U1采樣從1.5V變化到2.5V時(shí)，輸出電壓U2采樣也隨之增加呈線性變化，能夠直接反映輸入端的電壓變化情況。當(dāng)輸入電壓U1采樣為1.5V時(shí)，在-30℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)，最大誤差ε=0.11V。輸入端地線與輸出端地線利用光耦完全隔離，使輸出端的電磁干擾信號(hào)，不能反饋到輸入端，保證輸出端的電壓信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)的反映輸入端的變化情況，不受電磁干擾信號(hào)的影響。

3.2 高壓反饋電路測(cè)試

引信電子安全系統(tǒng)中，采用不敏感火工品（沖擊片雷管）作為首發(fā)火工品，其發(fā)火方式：0.2uF，1000V的發(fā)火能量為0.1J[2]，因此在本次驗(yàn)證試驗(yàn)中，采用0.22uF的電容作為儲(chǔ)能電容，完成沖擊片雷管的起爆。根據(jù)圖3搭建硬件測(cè)試電路，選用光耦PC817B進(jìn)行輸入端與輸出端的隔離，直接采集儲(chǔ)能電容的電壓信號(hào)，在-30℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

設(shè)定AD采集的閾值為0.6V，即當(dāng)采集的電壓值大于0.6V， MOS截止；當(dāng)采集的電壓值小于0.6V，MOS管以一定的頻率導(dǎo)通和截止。R采樣1取值51K、47K、43K、39K、36K、33K，精度1%，在-30℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高壓反饋電路測(cè)試。具體測(cè)試結(jié)果如表2和圖5所示。在圖5中，示波器通道2表示為U2采樣電壓，500mV/格；示波器通道1表示儲(chǔ)能電容兩端電壓，500V/格。

4 結(jié)論

本文提出了基于光耦采集的高壓反饋電路，是指利用光耦實(shí)現(xiàn)了電路輸入端與輸出端電氣隔離，提高了抗干擾能力，光耦從變壓器副邊直接采集儲(chǔ)能電容采樣電阻的電壓信號(hào)，利用光耦導(dǎo)通反饋到控制端控制MOS管導(dǎo)通與截止維持高壓儲(chǔ)能電容的電壓變化，直至起爆直列式爆炸序列。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：光耦采集的高壓反饋電路能可靠隔離輸入到輸出端的干擾信號(hào)，當(dāng)儲(chǔ)能電容的電壓值大于1000V時(shí)，在-30℃～+60℃的溫度范圍內(nèi)，儲(chǔ)能電容充電電壓的最大誤差不超過(guò)100V。通過(guò)調(diào)節(jié)采樣電阻R采樣1的阻值能夠?qū)崟r(shí)控制儲(chǔ)能電容充電電壓的大小，滿足引信電子安全系統(tǒng)的起爆要求。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】