| 标题 | 基于光耦采集的高压反馈电路 |
| 范文 | 李会兵 孙国先 张旭 摘要：针对从储能电容两端进行分压采样的反馈电路，输入和输出端难以隔离；从变压器原边进行采样的反馈电路，不能直接反应储能电容的电压，有可能会造成误识别的现象，提出了基于光耦采集的高压反馈电路。该电路利用光耦实现了电路输入端与输出端电气隔离，提高了抗干扰能力，光耦从变压器副边直接采集储能电容采样电阻的电压信号，利用光耦导通反馈到控制端控制MOS管导通与截止维持高压储能电容的电压变化，直至起爆直列式爆炸序列。验证试验表明：光耦采集的高压反馈电路能可靠隔离输入到输出端的干扰信号，当储能电容的电压值大于1000V时，在-30℃～+60℃的温度范围内，储能电容充电电压的最大误差不超过100V。通过调节采样电阻R采样1的阻值能够实时控制储能电容充电电压的大小，满足引信电子安全系统的起爆要求。 关键词：引信电子安全系统；储能电容；高压反馈电路；光耦隔离；抗电磁干扰 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）07-0255-03 传统爆炸序列之所以用隔爆机构，是因为爆炸序列中含有敏感的火工品，在勤务处理及发射的冲击振动和电磁环境下不能排除偶然發火的可能性。如果爆炸序列中不包括敏感火工品，完全用不敏感火工品，前级和后级安全性相当，就可以不用隔爆机构，爆炸序列始终贯通，这就是“直列式爆炸序列”。起爆安全性与可靠性完全由电子装置控制，这种安全系统称为“电子安全系统”或“电子安全与解除保险装置（ESAD）”[1]。直列式爆炸序列的首发火工品是不敏感火工品，抗电磁干扰能力强，起爆激发条件在自然界很难产生，作用时要求储能电容电压必须大于1000V[2]，放电时产生的瞬时大电流脉冲才能完全起爆。维持储能电容的高电压，是利用高压反馈电路将储能电容的电压值反馈到输入端并保持稳定，直至起爆不敏感火工品，因此，高压反馈电路是引信电子安全系统设计中的重要环节。 对于高压反馈电路的设计，文献[3]提出了基于在储能电容两端直接采集的高压反馈电路，即利用分压电阻将连接于高压变压器副边储能电容的电压值反馈到控制端，但是这种设计难以实现输入与输出端的地线隔离，抗干扰信号能力差；文献[4]提出了基于变压器原边采集的高压反馈电路，利用MOS管的导通与截止，间接的反映连接于高压变压器副边储能电容的电压变化情况，这种方法虽然能够实现输出与输入端的地线隔离，但是采集变压器的原边，可能会造成误识别的情况发生。 针对高压反馈电路从储能电容两端进行分压采样，输入和输出端难以隔离；从变压器原边进行采样，不能直接反映储能电容电压，有可能会误识别的问题，本文提出了基于光耦采集的高压反馈电路。 1现有的电子安全系统高压反馈电路 1.1 基于储能电容两端直接采集的高压反馈电路 引信电子安全系统高压电容（即储能电容）电压维持电路由控制器、动态开关、脉冲变压器、高压电容器、高压反馈单元组成。在高压电容电压维持阶段，控制器通过对高压电信号进行采样，控制动态开关工作，实现高压电容电压维持。安全系统高压变换过程中，控制器输出一定频率的控制信号，控制升压开关的开关闭合，驱动脉冲变压器工作，使其完成电能-磁能-电能之间的能量转换，将低压转换成高压，通过高压硅堆给电容充电。从高压端采样的反馈电路通过分压电阻将高压电容的电压值通过A/D转换反馈到控制端，输出端的电压仅仅通过电阻分压反馈到输入端。这种反馈控制设计的电路中，由于直接从高压电容分压得到反馈信号，难以实现输入和输出端的隔离。高压反馈电路原理框图如图1所示[3]。 1.2 基于变压器原边采集的高压反馈电路 在充电电路的输入端和输出端不隔离的情况下，输出端的高电压将对电路的安全性和可靠性产生很大影响，为了解决使用反激式充电电路的电气隔离问题，变压器原边采样的反馈控制电路从变压器原边进行采样，通过反馈控制电路控制高压电容上的充电电压，采用滤波方法消除漏感电压对反馈电容电压的影响。从变压器原边采样反馈电路如图2所示[4]。这种变压器原边采样高压反馈电路，由于直接采集变压器原边电压，对变压器次边的电压、电流参数，不能够进行有效的采集与识别，不能直接反映储能电容的电压变化，可能会造成误识别的情况发生。 2 基于光耦采集的高压反馈电路 基于光耦采集的高压反馈电路原理框图如图3所示。 光耦的工作模式是：输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端完全没有影响，开始工作时光耦处于截止状态。在图3中，光耦采集的高压反馈电路将采样电阻R采集1接入高压组件，直接反映连接于高压变压器副边储能电容的电压变化情况。在对储能电容充电过程中，随着储能电容电压的升高，U1采样电压逐渐升高，经过电压跟随器，对U1采样电压进行电压跟随，控制光耦导通，U2采样电压逐渐升高，经过运算处理电路的电压变换，微控制器进行电压采集与识别，控制MOS管导通和截止，实现向储能电容的充电和充电电压的维持。利用光耦采集能够隔离在储能电容充电和电压维持过程中产生的电磁干扰信号对MOS管控制端的影响，实现了控制地线与采样地线的完全隔离。 光耦采集的高压反馈电路是指利用光耦实现了电路输入端与输出端电气隔离，提高了抗干扰能力，光耦从变压器副边直接采集储能电容采样电阻的电压信号，利用光耦导通反馈到控制端控制MOS管导通与截止维持高压储能电容的电压变化，直至起爆直列式爆炸序列。 3 试验验证 为了验证基于光耦采集的高压反馈电路的可行性，设计了硬件测试电路。分为两个方面进行，（1）在-30℃～+60℃范围内，验证U1采集和U2采集之间的传递关系；（2）在-30℃～+60℃范围内，验证高压反馈电路的可行性。 3.1 U1采集和U2采集之间的传递关系 将图3的原理框图进行等效变换，在U1采集的输入端直接注入电压值，采集U2采集的电压值，验证光耦对输入端与输出端的隔离特性。光耦选用了电流传输比CTR线性度较好的夏普公司的PC817B，为了保证光耦能够可靠导通，U1采样输入电压从1.5V变化到2.5V，在-30℃～+60℃范围内，测试U2采集的输出电压信号变化情况。具体测试原理图如4所示。 在试验过程中，采用信号源33220模拟输入电压信号，由于信号源的输出功率较小，利用OPA348運算放大器进行电压跟随，完成输入信号的模拟。电阻R2取值510Ω，精度1%，电阻R2采样取值510Ω，精度1%。 由表1可以看出，采用光耦后，通过电压跟随器能够实时反应输入端电压的变化。当输入电压U1采样从1.5V变化到2.5V时，输出电压U2采样也随之增加呈线性变化，能够直接反映输入端的电压变化情况。当输入电压U1采样为1.5V时，在-30℃～+60℃的温度范围内，最大误差ε=0.11V。输入端地线与输出端地线利用光耦完全隔离，使输出端的电磁干扰信号，不能反馈到输入端，保证输出端的电压信号能够实时的反映输入端的变化情况，不受电磁干扰信号的影响。 3.2 高压反馈电路测试 引信电子安全系统中，采用不敏感火工品（冲击片雷管）作为首发火工品，其发火方式：0.2uF，1000V的发火能量为0.1J[2]，因此在本次验证试验中，采用0.22uF的电容作为储能电容，完成冲击片雷管的起爆。根据图3搭建硬件测试电路，选用光耦PC817B进行输入端与输出端的隔离，直接采集储能电容的电压信号，在-30℃～+60℃的温度范围内进行测试。 设定AD采集的阈值为0.6V，即当采集的电压值大于0.6V， MOS截止；当采集的电压值小于0.6V，MOS管以一定的频率导通和截止。R采样1取值51K、47K、43K、39K、36K、33K，精度1%，在-30℃～+60℃的温度范围内进行高压反馈电路测试。具体测试结果如表2和图5所示。在图5中，示波器通道2表示为U2采样电压，500mV/格；示波器通道1表示储能电容两端电压，500V/格。 4 结论 本文提出了基于光耦采集的高压反馈电路，是指利用光耦实现了电路输入端与输出端电气隔离，提高了抗干扰能力，光耦从变压器副边直接采集储能电容采样电阻的电压信号，利用光耦导通反馈到控制端控制MOS管导通与截止维持高压储能电容的电压变化，直至起爆直列式爆炸序列。验证试验表明：光耦采集的高压反馈电路能可靠隔离输入到输出端的干扰信号，当储能电容的电压值大于1000V时，在-30℃～+60℃的温度范围内，储能电容充电电压的最大误差不超过100V。通过调节采样电阻R采样1的阻值能够实时控制储能电容充电电压的大小，满足引信电子安全系统的起爆要求。 参考文献： [1] 张龙山.引信技术概论[C].西安：中国兵器工业集团第二一二研究所，2008：103-104. [2] 韩克华，任西. 秦国升.引信电子安全起爆系统抗电磁干扰加固方法[J].探测与控制学报，2010，32（5）：83-88. [3] 苏锋，康兴国，郑松.控制开关周期高压电容电压无反馈维持方法[J].探测与控制学报，2016，38（3）：13-16. [4] 何光林，黄科伟.引信电子安全系统高压反馈电路研究[J].北京理工大学学报，2009，29（1）：47-49. 【通联编辑：光文玲】 |
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