摘 要：針對(duì)某型車載供電發(fā)射筒前蓋開啟技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立的前蓋火工品安全點(diǎn)火控制模塊，具有較高的可靠性和安全性。該開蓋點(diǎn)火控制模塊對(duì)火工品采取短接保護(hù)和阻容吸收相結(jié)合的防靜電安全保護(hù)措施，在接收到點(diǎn)火指令后進(jìn)入點(diǎn)火狀態(tài)，控制電路依次執(zhí)行電源使能輸出、電路解保轉(zhuǎn)換、點(diǎn)火控制電路上電、點(diǎn)火延時(shí)電路啟動(dòng)、點(diǎn)火P-VMOS管導(dǎo)通，實(shí)施對(duì)火工品的能量激勵(lì)并完成點(diǎn)火開蓋功能，發(fā)射簡(jiǎn)前蓋被打開。

關(guān)鍵詞：車載發(fā)射筒 前蓋 點(diǎn)火控制模塊

1 緒論

車載發(fā)射筒在特定應(yīng)用場(chǎng)景中需要具備穩(wěn)定可靠的前蓋開啟與點(diǎn)火控制能力，以滿足任務(wù)需求并確保系統(tǒng)安全。某型車載供電發(fā)射筒對(duì)前蓋開啟的技術(shù)要求較高，涉及火工品的點(diǎn)火可靠性、電源供給穩(wěn)定性以及防靜電安全保護(hù)等多個(gè)關(guān)鍵因素。在復(fù)雜環(huán)境條件下，傳統(tǒng)點(diǎn)火方式可能面臨電磁干擾、觸發(fā)誤差及安全防護(hù)不足等問題，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行?，F(xiàn)有點(diǎn)火控制技術(shù)在供電穩(wěn)定性、抗電磁干擾能力以及點(diǎn)火精度方面仍存在優(yōu)化空間，難以完全滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)高效觸發(fā)與安全管理的要求。研究點(diǎn)火回路供電安全性、單點(diǎn)失效保護(hù)機(jī)制以及關(guān)鍵元器件國(guó)產(chǎn)化方案，為提高車載發(fā)射筒點(diǎn)火控制模塊的工程實(shí)用性提供技術(shù)支撐。

2 點(diǎn)火控制模塊設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

2.1.1 前蓋點(diǎn)火控制模塊工作原理

點(diǎn)火控制模塊針對(duì)車載發(fā)射筒前蓋點(diǎn)火需求，設(shè)計(jì)了可靠的信號(hào)采集、處理及執(zhí)行機(jī)制，保證系統(tǒng)可以在不同作戰(zhàn)條件下穩(wěn)定運(yùn)行。點(diǎn)火信號(hào)由車載系統(tǒng)提供，經(jīng)DC-DC隔離轉(zhuǎn)換模塊調(diào)整后輸出穩(wěn)定電壓，隨后進(jìn)入點(diǎn)火控制電路進(jìn)行信號(hào)分析與邏輯判斷。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制模塊內(nèi)部采用短路保護(hù)、阻容吸收及光電隔離等防護(hù)措施，以降低瞬態(tài)電壓波動(dòng)對(duì)信號(hào)處理電路的干擾，提高系統(tǒng)抗電磁干擾能力。點(diǎn)火觸發(fā)電路以P-VMOS功率管作為核心開關(guān)器件，利用低導(dǎo)通內(nèi)阻特性提升驅(qū)動(dòng)能力，保證觸發(fā)信號(hào)快速響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)高效點(diǎn)火。點(diǎn)火觸發(fā)時(shí)，控制電路驅(qū)動(dòng)P-VMOS導(dǎo)通，使點(diǎn)火能量激勵(lì)電路接通，瞬時(shí)釋放高功率脈沖電流點(diǎn)燃發(fā)火工品。點(diǎn)火結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)切斷點(diǎn)火回路，保證點(diǎn)火工品斷電復(fù)位并避免因電流殘余導(dǎo)致誤觸發(fā)?？刂颇K內(nèi)部集成過流保護(hù)、短路檢測(cè)及延時(shí)控制等多級(jí)防護(hù)機(jī)制，保證系統(tǒng)在電源異常或信號(hào)誤觸發(fā)情況下不會(huì)引發(fā)非預(yù)期點(diǎn)火。點(diǎn)火過程采用嚴(yán)格的時(shí)序控制，執(zhí)行電路在檢測(cè)到點(diǎn)火指令后，以微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間完成能量激勵(lì)，并在點(diǎn)火成功后自動(dòng)復(fù)位，保證系統(tǒng)在連續(xù)作戰(zhàn)環(huán)境下可以穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)射筒在完成點(diǎn)火任務(wù)后，點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，保證模塊不會(huì)因誤觸發(fā)導(dǎo)致重復(fù)點(diǎn)火。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電磁兼容優(yōu)化

點(diǎn)火控制模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在滿足機(jī)械強(qiáng)度、防護(hù)性能及電磁兼容性的前提下，實(shí)現(xiàn)可靠性、環(huán)境適應(yīng)性及抗干擾能力的優(yōu)化。模塊外殼采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并利用表面陽極氧化處理提高耐腐蝕性能。模塊整體采用密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證在高濕度、粉塵及振動(dòng)沖擊等極端環(huán)境下依然可以保持穩(wěn)定工作。模塊的接插件采用高可靠性航空級(jí)連接器，保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定，避免因接觸不良或外部環(huán)境干擾導(dǎo)致的信號(hào)衰減和失真。

2.2 點(diǎn)火模塊單元電路設(shè)計(jì)及說明

2.2.1 點(diǎn)火模塊功率及點(diǎn)火電流參數(shù)計(jì)算

點(diǎn)火模塊的功率計(jì)算涉及車載供電電壓、負(fù)載阻抗及電流需求，以保證系統(tǒng)滿足點(diǎn)火工況的能量供應(yīng)需求并保持電路的安全性與可靠性。車載系統(tǒng)提供30V/4A的供電，理論最大功率可達(dá)120W，為保證點(diǎn)火電流的穩(wěn)定供應(yīng)，點(diǎn)火控制模塊采用寬壓輸入隔離式DC/DC降壓電源（18V36V/7V 100W），該電源既能保證輸入電壓波動(dòng)情況下的輸出穩(wěn)定，又能提供必要的電氣隔離，減少電磁干擾對(duì)點(diǎn)火信號(hào)的影響，提升系統(tǒng)抗干擾能力。點(diǎn)火電流的計(jì)算主要依據(jù)點(diǎn)火負(fù)載的阻值特性，假設(shè)單發(fā)點(diǎn)火工品的電阻范圍為0.8Ω～1.2Ω，需保證單發(fā)點(diǎn)火電流不少于5A，而雙發(fā)并聯(lián)點(diǎn)火工品的總電阻不應(yīng)超過0.6Ω，以保證并聯(lián)點(diǎn)火模式下電流不低于10A。依據(jù)歐姆定律，點(diǎn)火電流計(jì)算公式如下：

當(dāng)點(diǎn)火電壓為7V，假設(shè)單發(fā)點(diǎn)火負(fù)載阻值取0.8Ω，計(jì)算所得點(diǎn)火電流為8.75A；若阻值取1.2Ω，點(diǎn)火電流計(jì)算值為5.83A，均符合單發(fā)點(diǎn)火工況需求。在雙發(fā)并聯(lián)模式下，負(fù)載總阻值設(shè)定最大為0.6Ω，理論最大點(diǎn)火電流約為11.67A，符合并聯(lián)點(diǎn)火需求，保證點(diǎn)火工品可以獲得足夠的電流激勵(lì)。為進(jìn)一步保證點(diǎn)火功率裕量，DC/DC隔離電源輸出功率設(shè)定為7V/100W，最大輸出電流設(shè)定為14A，點(diǎn)火功率計(jì)算公式如下：

在點(diǎn)火電壓為7V、最大電流為14A的情況下，計(jì)算所得點(diǎn)火功率約為98W，保證負(fù)載功率需求滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，并為電路提供一定的功率冗余?？紤]到不同環(huán)境條件下點(diǎn)火工品可能存在阻抗波動(dòng)，電路設(shè)計(jì)中應(yīng)包含適當(dāng)?shù)南蘖鞅Ｗo(hù)機(jī)制，以防止異常電流沖擊造成系統(tǒng)損壞，同時(shí)滿足電磁兼容性要求，保證點(diǎn)火信號(hào)的準(zhǔn)確觸發(fā)和執(zhí)行。綜合以上計(jì)算，點(diǎn)火模塊在功率及電流參數(shù)方面的設(shè)計(jì)充分考慮了安全性、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，可以滿足車載供電環(huán)境的使用要求，并保證點(diǎn)火過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2.2.2 延時(shí)點(diǎn)火與點(diǎn)火能量激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

點(diǎn)火系統(tǒng)在觸發(fā)后，為保證點(diǎn)火過程的穩(wěn)定性與安全性，需要采用延時(shí)控制電路來調(diào)整點(diǎn)火能量激勵(lì)的時(shí)間參數(shù)，以防止誤觸發(fā)或激勵(lì)能量不足導(dǎo)致的點(diǎn)火失敗。點(diǎn)火控制模塊采用P-VMOS功率管作為能量激勵(lì)的開關(guān)器件，配合電流驅(qū)動(dòng)電路形成大電流瞬時(shí)輸出，保證點(diǎn)火工品在短時(shí)間內(nèi)得到足夠的能量激勵(lì)。延時(shí)點(diǎn)火控制電路由HBR5555時(shí)基電路與電容充放電電路構(gòu)成，點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間可根據(jù)具體應(yīng)用需求設(shè)定，通常范圍為1ms～10ms，以適應(yīng)不同類型的點(diǎn)火工品負(fù)載特性。點(diǎn)火控制信號(hào)在延時(shí)電路后，觸發(fā)P-VMOS功率管導(dǎo)通，使點(diǎn)火負(fù)載獲得高電流激勵(lì)，完成點(diǎn)火過程。點(diǎn)火延時(shí)的計(jì)算可采用如下公式：

其中，R為限流電阻，C為電容，Vth為觸發(fā)電壓，Vcc為供電電壓。通過合理選取R和C參數(shù)，可以保證點(diǎn)火延時(shí)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，避免過早觸發(fā)導(dǎo)致點(diǎn)火失敗或過長(zhǎng)延時(shí)影響點(diǎn)火效率。此外，點(diǎn)火能量激勵(lì)電路采用獨(dú)立隔離設(shè)計(jì)，利用光耦元件與邏輯控制模塊隔離點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)，提高系統(tǒng)抗干擾能力并保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。為防止大電流瞬間沖擊導(dǎo)致電路損壞或影響點(diǎn)火效率，點(diǎn)火能量釋放路徑中串聯(lián)高功率限流電阻，以有效抑制電流過沖并提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。

點(diǎn)火觸發(fā)完成后，控制電路利用關(guān)斷P-VMOS功率管的導(dǎo)通信號(hào)，使點(diǎn)火電路迅速恢復(fù)至待機(jī)狀態(tài)，并利用光耦反饋信號(hào)用于確認(rèn)點(diǎn)火動(dòng)作是否執(zhí)行成功，保證后續(xù)觸發(fā)可以穩(wěn)定進(jìn)行，避免因異常狀態(tài)導(dǎo)致的二次誤觸發(fā)問題。點(diǎn)火控制電路在關(guān)斷階段，由吸收電容及泄放電路對(duì)殘余電荷進(jìn)行快速釋放，防止電容殘余電壓導(dǎo)致功率管誤導(dǎo)通，提高系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。此外，整個(gè)點(diǎn)火控制電路采用冗余設(shè)計(jì)并配備電流檢測(cè)功能，在異常電流狀態(tài)發(fā)生時(shí)可自動(dòng)切斷點(diǎn)火電路，保證電路不會(huì)因短路或過載損壞，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的安全防護(hù)能力。具體如圖2所示。

2.2.3 點(diǎn)火上電開關(guān)信號(hào)處理

為防止點(diǎn)火系統(tǒng)在電源上電瞬間產(chǎn)生誤觸發(fā)，點(diǎn)火信號(hào)輸入端采用光耦隔離、濾波電路以及阻容吸收相結(jié)合的防護(hù)措施，保證信號(hào)輸入的穩(wěn)定性并有效抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)抗電磁干擾能力。上電信號(hào)經(jīng)由信號(hào)整形電路處理后，由邏輯控制單元對(duì)信號(hào)的有效性進(jìn)行判斷，并結(jié)合時(shí)序控制策略與延時(shí)保護(hù)措施，保證點(diǎn)火信號(hào)處理的安全性和可靠性。

信號(hào)整形電路主要由阻容吸收電路、限幅電路及瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管構(gòu)成，其中阻容吸收電路用于抑制高頻干擾，限幅電路防止輸入信號(hào)過沖或欠壓導(dǎo)致誤觸發(fā)，而雙向TVS二極管可有效吸收瞬態(tài)浪涌，提高系統(tǒng)對(duì)電磁干擾的抗擾度，保證輸入信號(hào)穩(wěn)定。在正常工作模式下，點(diǎn)火信號(hào)利用整形處理后，由邏輯控制單元進(jìn)行判定，并在信號(hào)確認(rèn)有效后向點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)，觸發(fā)P-VMOS功率管導(dǎo)通，使點(diǎn)火電流經(jīng)由能量激勵(lì)電路傳輸至點(diǎn)火負(fù)載，完成點(diǎn)火過程。

為保證系統(tǒng)在不同工況下均能穩(wěn)定工作，點(diǎn)火上電信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)了多重保護(hù)機(jī)制，系統(tǒng)供電采用穩(wěn)壓模塊，保證信號(hào)輸入電壓恒定并避免因供電波動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)漂移或失真。邏輯控制單元在信號(hào)觸發(fā)后執(zhí)行預(yù)設(shè)延時(shí)策略，保證點(diǎn)火信號(hào)按照設(shè)定的時(shí)序觸發(fā)并避免因外部干擾導(dǎo)致誤動(dòng)作。在點(diǎn)火完成后，邏輯控制單元及時(shí)切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使點(diǎn)火功率管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，保證系統(tǒng)進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，防止無效能量損耗并提高系統(tǒng)整體可靠性。為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，點(diǎn)火信號(hào)輸入端采用獨(dú)立隔離電路，保證信號(hào)輸入端與驅(qū)動(dòng)控制端之間的物理隔離，避免因電源回流或電位差影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。此外，控制邏輯在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)保持高阻態(tài)，保證未接收到點(diǎn)火指令時(shí)點(diǎn)火電路不會(huì)進(jìn)入誤觸發(fā)狀態(tài)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性和抗干擾能力。

2.3 關(guān)鍵電路安全性分析

2.3.1 點(diǎn)火控制回路供電安全性

為保證供電穩(wěn)定，系統(tǒng)采用寬壓輸入的隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，輸入電壓范圍設(shè)定在18V～36V，輸出電壓穩(wěn)定在7V，額定功率100W，以滿足點(diǎn)火模塊對(duì)電壓和功率的需求。供電線路采用低內(nèi)阻銅排連接并結(jié)合穩(wěn)壓濾波電路，保證控制電路在不同負(fù)載條件下均能獲得穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，提高系統(tǒng)的可靠性[1]。點(diǎn)火控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)邏輯采用獨(dú)立隔離供電，避免點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電流對(duì)控制信號(hào)造成干擾，保證信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。功率驅(qū)動(dòng)部分采用P-VMOS功率管，利用限流電阻和緩啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電流緩升，減少瞬時(shí)過流對(duì)供電系統(tǒng)的沖擊，提高整體穩(wěn)定性。點(diǎn)火完成后，控制邏輯自動(dòng)切斷點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使系統(tǒng)進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，降低電能損耗，提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性[2]。

2.3.2 點(diǎn)火電路單點(diǎn)失效的安全性

點(diǎn)火電路的單點(diǎn)失效安全性主要依賴于冗余保護(hù)、短路檢測(cè)及故障隔離機(jī)制，以保證系統(tǒng)在部分元器件故障時(shí)仍能維持正常運(yùn)行。點(diǎn)火控制模塊采用雙通道冗余設(shè)計(jì)，主通道發(fā)生故障時(shí)，備用通道可立即接管任務(wù)，保證點(diǎn)火過程不受影響。系統(tǒng)利用電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回路狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到過流、短路或開路異常時(shí)，控制邏輯立即切斷故障通道并啟用備用回路，防止異常情況導(dǎo)致系統(tǒng)失效[3]。短路保護(hù)電路由限流電阻、TVS二極管和自動(dòng)恢復(fù)保險(xiǎn)絲構(gòu)成，保證短路故障發(fā)生時(shí)回路能迅速斷開，避免大電流損壞系統(tǒng)元器件。點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路采用四級(jí)防護(hù)策略，包括過流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)及信號(hào)驗(yàn)證，保證系統(tǒng)在復(fù)雜工作環(huán)境下仍具備高可靠性。當(dāng)P-VMOS功率管因負(fù)載短路或過載失效時(shí)，控制邏輯會(huì)立即關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，提醒維護(hù)人員進(jìn)行檢查。點(diǎn)火電路的隔離設(shè)計(jì)采用光耦和磁耦結(jié)合方式，提高不同電位信號(hào)間的抗干擾能力，避免因信號(hào)干擾導(dǎo)致誤觸發(fā)。點(diǎn)火完成后，控制電路自動(dòng)斷開功率驅(qū)動(dòng)通道，防止電流殘留影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)整體的安全性。

2.3.3 關(guān)鍵元器件國(guó)產(chǎn)化選型

為提高自主可控能力，系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)化電子元件，包括P-VMOS功率管、繼電器、隔離電源模塊及信號(hào)處理單元等部件。P-VMOS功率管選用HTD760P10T，額定耐壓100V，最大工作電流30A，具有低導(dǎo)通電阻和高切換速度的特點(diǎn)，適用于大電流點(diǎn)火應(yīng)用。點(diǎn)火信號(hào)保護(hù)繼電器采用QX-20MG型電磁繼電器，額定電流15A，具備高可靠性和低功耗特性，保證信號(hào)傳輸穩(wěn)定。隔離電源模塊選用IQDNM-180202，輸入電壓18V～36V，輸出功率100W，具備過流、短路及過溫保護(hù)功能，提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。信號(hào)處理單元采用國(guó)產(chǎn)高精度運(yùn)算放大器，結(jié)合低噪聲濾波電路，提高信號(hào)放大精度并減少干擾，提升系統(tǒng)信號(hào)處理能力。點(diǎn)火電路采用高耐溫、高抗沖擊的封裝材料，保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

3 結(jié)語

車載發(fā)射筒點(diǎn)火控制模塊在供電穩(wěn)定性、抗干擾能力及安全防護(hù)方面進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，設(shè)計(jì)采用了30V/4A供電模式，并結(jié)合P-VMOS功率管驅(qū)動(dòng)策略，優(yōu)化了能量激勵(lì)電路設(shè)計(jì)，以此保證了點(diǎn)火信號(hào)輸出的高效性和精準(zhǔn)度。未來可圍繞智能控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程診斷技術(shù)開展深入研究，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能化水平和綜合作戰(zhàn)能力。

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