基于參數(shù)計算的電子安全系統(tǒng)起爆回路優(yōu)化方法

鄭松

[關(guān)鍵字] 電子安全系統(tǒng)；起爆回路優(yōu)化方法；參數(shù)計算模型

1 引言

引信電子安全系統(tǒng)是第三代引信安全系統(tǒng)，采用沖擊片雷管[1]作為初級發(fā)火單元。沖擊片雷管作為目前國內(nèi)外安全等級最高的火工品，激勵形式為瞬時大電流（上升時間200ns、電流峰值大于2000A[2])，回路容性、感性、阻性參數(shù)直接決定起爆電流是否滿足沖擊片雷管的起爆要求，因此優(yōu)化電路參數(shù)設(shè)計，減小起爆回路參數(shù)的影響，提高電流上升陡度、峰值是電子安全系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。電子安全系統(tǒng)回路感性參數(shù)、容性參數(shù)、阻性，在起爆電流流過瞬間均是動態(tài)變化的，定量參數(shù)無法通過測量設(shè)備進行測量。容性、阻性、感性參數(shù)其物理意義不同，造成優(yōu)化方法有著本質(zhì)區(qū)別。容性參數(shù)優(yōu)化需要通過減少器件寄生電容實現(xiàn)；阻性參數(shù)優(yōu)化需要通過PCB板加工材料降阻、走線線寬增加等工藝實現(xiàn)；感性參數(shù)優(yōu)化需要通過優(yōu)化PCB走線間互感參數(shù)實現(xiàn)。目前國內(nèi)外根據(jù)回路參數(shù)類型不同開展針對性的優(yōu)化設(shè)計方面的論文鮮有發(fā)表，傳統(tǒng)的起爆回路方法往往采用試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法，通過多次試驗數(shù)據(jù)進行定性分析完成優(yōu)化設(shè)計，這種優(yōu)化方法由于缺乏起爆回路量化參數(shù)，因此回路參數(shù)優(yōu)化往往不具有針對性，容易造成設(shè)計矯枉過正。本文針對電子安全系統(tǒng)起爆回路優(yōu)化設(shè)計過程中，由于缺乏起爆回路參數(shù)的量化計算造成的優(yōu)化方法缺乏針對性的問題，提出了基于參數(shù)計算的電子安全系統(tǒng)起爆回路優(yōu)化方法。

2 電子安全系統(tǒng)起爆回路模型建立

起爆回路電路RLC[3]簡化模型，圖中C為高壓電容器容值、R1為起爆回路的等效電阻、L為回路電感，R0為沖擊片雷管的內(nèi)阻。為方便計算，將短路開關(guān)假設(shè)為理想開關(guān)，R=R0+R1電路圖如圖1所示。

圖1 起爆回路簡化原理圖

根據(jù)初始狀態(tài)電路回路電流i(0-)=0，電容電壓UC(0-)=0，對上圖進行拉普拉斯變換得：

令

σ為電路衰減程度，ω為起爆電路諧振頻率。

對上述公式進行拉普拉斯逆變換計算得到：

由上式可知動態(tài)阻性、容性、感性參數(shù)均與起爆電流有直接關(guān)系。利用起爆電流的測試結(jié)果，利用上式可對各參數(shù)進行估算。

3 基于參數(shù)計算的電子安全系統(tǒng)起爆回路優(yōu)化方法

3.1 引信電子安全系統(tǒng)起爆電路回路參數(shù)計算

電流測試通常有分流器法和羅果夫斯基線圈法。分流器法是測試沖擊電流的常用方法，但由于分流器是串聯(lián)在測試電路中的，測試結(jié)果不能完全反映起爆電流。通常在大功率沖擊電流測試中采用羅果夫斯基線圈法進行測試。測試得到第一個電流峰值為I1max，t1max，第二個電流峰值I2max，t2max進行回路參數(shù)估計。

第一個峰值電流為：

第二個峰值電流為：

由于起爆電流為周期振蕩曲線，則有：

根據(jù)起爆電流放電周期T得：

由

得到起爆回路參數(shù)估算結(jié)果。

3.2 回路參數(shù)優(yōu)化方法

起爆回路參數(shù)主要涉及動態(tài)電阻、電感、電容。

3.2.1 回路參數(shù)阻性參數(shù)優(yōu)化

回路阻性參數(shù)主要通過以下措施減小回路電阻：

a)增加PCB板覆銅厚度，建議覆銅厚度采用50μm、70μm工藝；

b)減小回路引線長度，增加回路引線寬度，引線寬度建議大于5mm，直流穩(wěn)定過流12A；

c)表面PCB覆銅進行鍍金處理；

d)減少回路導線轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，必要時可以采用壓接、焊接，盡量不采用螺釘壓緊方式，防止接觸電阻過大造成高壓擊穿。

3.2.2 回路參數(shù)感性參數(shù)優(yōu)化

回路感性參數(shù)主要通過以下措施減小回路電感：

a)回路正負極盡量采用平行走線方式，增大平行面積；

b)盡量避免90°角度轉(zhuǎn)彎，對于轉(zhuǎn)角處進行圓化處理；

c)采用高介電參數(shù)基板材料，信號帶寬大于100Mhz；

d)引線采用雙絞或平行聚酯板。

3.2.3 回路參數(shù)容性參數(shù)優(yōu)化

a)選擇合適介電常數(shù)基板材料，減小寄生電容；

b)設(shè)計銳化電容器，提升回路振蕩頻率；

c)優(yōu)先選擇脈沖放電類型電容器、根據(jù)回路情況選擇合適容值的電容。

4 試驗驗證

為了驗證優(yōu)化設(shè)計方法的可行性、有效性，選取電子安全系統(tǒng)起爆回路作為驗證對象，優(yōu)化設(shè)計共進行兩輪。試驗條件如表1所示。

表1 試驗條件

表2為兩輪優(yōu)化設(shè)計回路電阻、電感計算結(jié)果以及起爆電流參數(shù)。

表2 測試結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計完成后，對表3中參數(shù)進行分析，經(jīng)過兩輪優(yōu)化設(shè)計回路，阻性參數(shù)、感性參數(shù)分別減小了28%和20%，峰值電流提高了20%，上升時間縮短了11%，起爆能量輸入提高了44%，優(yōu)化效果明顯，試驗證明基于參數(shù)計算的電子安全系統(tǒng)起爆回路優(yōu)化方法是可行的、有效的。

5 結(jié)論

本文提出了基于參數(shù)計算的電子安全系統(tǒng)起爆回路優(yōu)化方法。通過建立電路參數(shù)計算模型，結(jié)合起爆電流測試結(jié)果，理論計算得到阻性、感性回路參數(shù)，根據(jù)阻性、感性參數(shù)的不同類別采取針對性的降低回路電阻、減小回路電感等措施，最終實現(xiàn)起爆回路優(yōu)化設(shè)計。試驗驗證表明，基于參數(shù)計算的電子安全系統(tǒng)起爆回路優(yōu)化方法能夠有效降低回路阻性、感性參數(shù)對于起爆電流的阻礙影響，提升起爆電流，縮短上升時間，提高起爆能量輸出，優(yōu)化設(shè)計方法合理可行。