基于參數計算的電子安全系統起爆回路優化方法

鄭松

[關鍵字] 電子安全系統；起爆回路優化方法；參數計算模型

1 引言

引信電子安全系統是第三代引信安全系統，采用沖擊片雷管[1]作為初級發火單元。沖擊片雷管作為目前國內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，因此優化電路參數設計，減小起爆回路參數的影響，提高電流上升陡度、峰值是電子安全系統設計的關鍵技術之一。電子安全系統回路感性參數、容性參數、阻性，在起爆電流流過瞬間均是動態變化的，定量參數無法通過測量設備進行測量。容性、阻性、感性參數其物理意義不同，造成優化方法有著本質區別。容性參數優化需要通過減少器件寄生電容實現；阻性參數優化需要通過PCB板加工材料降阻、走線線寬增加等工藝實現；感性參數優化需要通過優化PCB走線間互感參數實現。目前國內外根據回路參數類型不同開展針對性的優化設計方面的論文鮮有發表，傳統的起爆回路方法往往采用試驗和數據統計的方法，通過多次試驗數據進行定性分析完成優化設計，這種優化方法由于缺乏起爆回路量化參數，因此回路參數優化往往不具有針對性，容易造成設計矯枉過正。本文針對電子安全系統起爆回路優化設計過程中，由于缺乏起爆回路參數的量化計算造成的優化方法缺乏針對性的問題，提出了基于參數計算的電子安全系統起爆回路優化方法。

2 電子安全系統起爆回路模型建立

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為沖擊片雷管的內阻。為方便計算，將短路開關假設為理想開關，R=R0+R1電路圖如圖1所示。

圖1 起爆回路簡化原理圖

根據初始狀態電路回路電流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：

由上式可知動態阻性、容性、感性參數均與起爆電流有直接關系。利用起爆電流的測試結果，利用上式可對各參數進行估算。

3 基于參數計算的電子安全系統起爆回路優化方法

3.1 引信電子安全系統起爆電路回路參數計算

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在測試電路中的，測試結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：

根據起爆電流放電周期T得：

由

得到起爆回路參數估算結果。

3.2 回路參數優化方法

起爆回路參數主要涉及動態電阻、電感、電容。

3.2.1 回路參數阻性參數優化

回路阻性參數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，直流穩定過流12A；

c)表面PCB覆銅進行鍍金處理；

d)減少回路導線轉接環節，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 回路參數感性參數優化

回路感性參數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°角度轉彎，對于轉角處進行圓化處理；

c)采用高介電參數基板材料，信號帶寬大于100Mhz；

d)引線采用雙絞或平行聚酯板。

3.2.3 回路參數容性參數優化

a)選擇合適介電常數基板材料，減小寄生電容；

b)設計銳化電容器，提升回路振蕩頻率；

c)優先選擇脈沖放電類型電容器、根據回路情況選擇合適容值的電容。

4 試驗驗證

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

表1 試驗條件

表2為兩輪優化設計回路電阻、電感計算結果以及起爆電流參數。

表2 測試結果

優化設計完成后，對表3中參數進行分析，經過兩輪優化設計回路，阻性參數、感性參數分別減小了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%，優化效果明顯，試驗證明基于參數計算的電子安全系統起爆回路優化方法是可行的、有效的。

5 結論

本文提出了基于參數計算的電子安全系統起爆回路優化方法。通過建立電路參數計算模型，結合起爆電流測試結果，理論計算得到阻性、感性回路參數，根據阻性、感性參數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，最終實現起爆回路優化設計。試驗驗證表明，基于參數計算的電子安全系統起爆回路優化方法能夠有效降低回路阻性、感性參數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，優化設計方法合理可行。