導(dǎo)發(fā)架主控計算機供配電管理的設(shè)計與實現(xiàn)

景德勝，張 坤

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

0 引言

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

導(dǎo)彈離架前由導(dǎo)發(fā)架負責(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)彈要進行導(dǎo)引、飛行控制、發(fā)動機點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)，同時主控計算機切斷給導(dǎo)彈的供電，確保載機和導(dǎo)彈的安全。主控計算機安裝在電磁環(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)異常時不能及時切斷導(dǎo)彈電源，同時要防止過于靈敏而易受高頻信號干擾發(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)計思路

傳統(tǒng)的導(dǎo)發(fā)架供配電管理主控計算機只產(chǎn)生供電輸出控制信號，電源輸出執(zhí)行部分由外部的電磁繼電器驅(qū)動板負責(zé)，這種供配電方式供電控制信號暴露在計算機和驅(qū)動板之間，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、磁路和可動的機械部件，器件組成復(fù)雜、可靠性相對較低[3]。如2002年3月某型火箭在發(fā)射前地面檢測中發(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)架對導(dǎo)彈的供配電管理的控制和輸出均集成在主控計算機內(nèi)。

1.1 控制電路設(shè)計

控制電路主要包括上電狀態(tài)控制設(shè)計和隔離設(shè)計兩部分。

主控計算機采用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120 ms左右，在此期間，主控計算機無法發(fā)出控制指令和信號。為了保證導(dǎo)發(fā)架下端導(dǎo)彈在此時間段處于斷電狀態(tài)，利用控制信號驅(qū)動芯片在其輸出使能為無效狀態(tài)時所有輸出管腳均為高阻態(tài)的特性，防止供配電控制開關(guān)在上電過程中誤動作，實現(xiàn)上電過程狀態(tài)的控制。

主控計算機處理器芯片、可編程芯片等供電及信號均小于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/斷開瞬間產(chǎn)生的電磁干擾可能會導(dǎo)致主控計算機工作異常。本設(shè)計中隔離點設(shè)置在控制信號驅(qū)動器后、電流輸出開關(guān)前，使用光電耦合器進行信號的隔離。

1.2 輸出電路設(shè)計

針對導(dǎo)彈工作特點和安全性的要求，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)彈在短時間內(nèi)達到規(guī)定的電壓和電流，減少電源穩(wěn)定時間過長對導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)工作帶來的影響，關(guān)斷靈敏的目的是保證異常情況下可及時切斷導(dǎo)彈供電以確保安全；需要具備電壓檢測和過流保護功能，過高或過低電壓都會對導(dǎo)彈的正常工作帶來嚴(yán)重影響，過流會造成導(dǎo)彈甚至導(dǎo)發(fā)架的損毀，后果非常嚴(yán)重；要有反向保護設(shè)計，導(dǎo)彈發(fā)射時彈上熱電池激活供電后，會有電壓倒灌到主控計算機，因此輸出電路還需要具備反向保護功能。

經(jīng)對多種器件進行比較分析得到的功率開關(guān)可滿足主控計算機輸出電路的設(shè)計要求。功率開關(guān)為半導(dǎo)體器件，通常采用電阻檢測技術(shù)實現(xiàn)對電流的檢測。功率開關(guān)電流檢測方法分為低邊電流檢測和高邊電流檢測：低邊電流檢測將檢測電阻放置在負載和電路地之間，檢測電阻上的電壓通過運放放大后采集；高邊電流檢測將檢測電阻放置在電源和負載之間[4]。低邊電流檢測因共模電壓接近地電位，可采用低成本、低電壓運放實現(xiàn)，但存在檢流電阻會引入地線干擾和無法檢測電源與地短路時的短路電流兩個缺點。因此主控計算機輸出電路選用高邊功率開關(guān)來實現(xiàn)。

2 硬件設(shè)計

導(dǎo)發(fā)架主控計算機是一臺以DSP處理器為核心的嵌入式計算機，包括母板、電源模塊、處理模塊、模擬量模塊和離散量模塊，主控計算機各模塊通過連接器插裝在母版上，各模塊之間通過母板完成信號交聯(lián)，電源模塊通過母板向各個模塊提供數(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)計在母板上的主要原因是考慮功率開關(guān)的散熱設(shè)計。

2.1 功率開關(guān)輸出控制電路

功率開關(guān)控制信號電路采用光電耦合器進行隔離。FPGA芯片輸出經(jīng)驅(qū)動器后轉(zhuǎn)換為TTL電平，當(dāng)FPGA芯片輸出為低電平時，光電耦合器前級二極管導(dǎo)通，后級輸出為地；當(dāng)FPGA輸出高電平時，光電耦合器前級二級管截止，后級輸出為懸空，光電耦合器的輸出通過連接器接到母板上，控制母板上的功率開關(guān)。功率開關(guān)輸出控制電路見圖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)計算實際導(dǎo)通電流約為11.6 mA，消耗功率44 mW；光耦后級輸出電流推薦值最大10 mA，實際負載電流不超過2.4 mA，設(shè)計滿足光電耦合器及功率開關(guān)的要求。根據(jù)驅(qū)動器245手冊參數(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)動芯片輸出為高電平)時，按照驅(qū)動器輸出下限計算，光耦前級電流小于1 mA，光耦不會誤導(dǎo)通。上電過程中，驅(qū)動芯片輸出使能信號為無效狀態(tài)(高電平)，所有輸出管腳保持高阻態(tài)，同時在處理模塊上開關(guān)量輸出端設(shè)計上拉電阻R1，可保證上電過程中控制信號輸出為高，防止開關(guān)量誤動。

圖1 信號處理示意圖

2.2 功率開關(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)動功能在母板上實現(xiàn)，選用Infineon公司高邊功率開關(guān)BTS660。BTS660功率開關(guān)具有高精度、大電流和通過自我開啟功能實現(xiàn)反向電池保護的特點，其內(nèi)部設(shè)計有靜電放電保護電路、過壓保護電路、輸出電壓檢測電路、防止過載的負載檢測限制電路和電流檢測與保護電路[5]，主要性能指標(biāo)見表1[6]。

表1 功率開關(guān)主要性能指標(biāo)

功率開關(guān)BTS660由離散量模塊提供的懸空/地離散量輸出控制，當(dāng)離散量輸出懸空時功率開關(guān)截止，當(dāng)離散量輸出接地時功率開關(guān)導(dǎo)通。功率開關(guān)電路示意見圖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)手冊推薦，設(shè)計時4路輸出短接在一起。

圖2 功率開關(guān)電路示意圖

2.3 熱設(shè)計

BTS660作為功率開關(guān)，是主控計算機設(shè)計時散熱的主要考慮因素。設(shè)計時將功率開關(guān)布置在靠近機箱壁的位置，通過導(dǎo)熱墊與機箱壁良好接觸，通過機箱散熱；同時在功率器件所處的母板上大面積設(shè)計覆銅層，以提高散熱效率。

3 熱仿真驗證

導(dǎo)發(fā)架主控計算機工作環(huán)境惡劣，為保證供配電管理部分設(shè)計在高溫下可正常工作，對主控計算機散熱機箱進行仿真分析。

3.1 模型設(shè)計

為降低仿真計算的復(fù)雜程度，減少計算時間，在不影響計算精度的前提下對仿真模型進行了一系列的簡化，具體簡化內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)件內(nèi)外圓角、螺孔、凸臺等對散熱無影響的細小結(jié)構(gòu)特征；接線區(qū)、接插件等對熱仿真結(jié)果影響較小的無功耗部件；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、開口銷等。

3.2 仿真結(jié)果及分析

熱仿真時，網(wǎng)格劃分原則為：翅片間隙內(nèi)網(wǎng)格不少于3個，芯片厚度方向網(wǎng)格不少于3個，整機網(wǎng)格最大縱橫比不超過20，重點關(guān)注的芯片網(wǎng)格最大縱橫比不超過10，同時，在芯片周圍區(qū)域進行適度的網(wǎng)格膨脹，以保證網(wǎng)格過渡均勻。總體網(wǎng)格數(shù)量為856 428。采用計算流體力學(xué)(CFD)方法進行熱仿真分析，在環(huán)境溫度60℃時，整機最高環(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時功耗為0.9 W計算，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關(guān)實現(xiàn)導(dǎo)發(fā)架主控計算機供配電管理的設(shè)計方法，與傳統(tǒng)采用電磁繼電器進行導(dǎo)彈供電控制的方法相比，本方法具有抗干擾能力強、集成度高和體積小的特點，為導(dǎo)發(fā)架供配電管理設(shè)計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

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