基于光耦采集的高壓反饋電路

李會兵 孫國先 張旭

摘要：針對從儲能電容兩端進行分壓采樣的反饋電路，輸入和輸出端難以隔離；從變壓器原邊進行采樣的反饋電路，不能直接反應儲能電容的電壓，有可能會造成誤識別的現象，提出了基于光耦采集的高壓反饋電路。該電路利用光耦實現了電路輸入端與輸出端電氣隔離，提高了抗干擾能力，光耦從變壓器副邊直接采集儲能電容采樣電阻的電壓信號，利用光耦導通反饋到控制端控制MOS管導通與截止維持高壓儲能電容的電壓變化，直至起爆直列式爆炸序列。驗證試驗表明：光耦采集的高壓反饋電路能可靠隔離輸入到輸出端的干擾信號，當儲能電容的電壓值大于1000V時，在-30℃～+60℃的溫度范圍內，儲能電容充電電壓的最大誤差不超過100V。通過調節采樣電阻R采樣1的阻值能夠實時控制儲能電容充電電壓的大小，滿足引信電子安全系統的起爆要求。

關鍵詞：引信電子安全系統；儲能電容；高壓反饋電路；光耦隔離；抗電磁干擾

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0255-03

傳統爆炸序列之所以用隔爆機構，是因為爆炸序列中含有敏感的火工品，在勤務處理及發射的沖擊振動和電磁環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，前級和后級安全性相當，就可以不用隔爆機構，爆炸序列始終貫通，這就是“直列式爆炸序列”。起爆安全性與可靠性完全由電子裝置控制，這種安全系統稱為“電子安全系統”或“電子安全與解除保險裝置（ESAD）”[1]。直列式爆炸序列的首發火工品是不敏感火工品，抗電磁干擾能力強，起爆激發條件在自然界很難產生，作用時要求儲能電容電壓必須大于1000V[2]，放電時產生的瞬時大電流脈沖才能完全起爆。維持儲能電容的高電壓，是利用高壓反饋電路將儲能電容的電壓值反饋到輸入端并保持穩定，直至起爆不敏感火工品，因此，高壓反饋電路是引信電子安全系統設計中的重要環節。

對于高壓反饋電路的設計，文獻[3]提出了基于在儲能電容兩端直接采集的高壓反饋電路，即利用分壓電阻將連接于高壓變壓器副邊儲能電容的電壓值反饋到控制端，但是這種設計難以實現輸入與輸出端的地線隔離，抗干擾信號能力差；文獻[4]提出了基于變壓器原邊采集的高壓反饋電路，利用MOS管的導通與截止，間接的反映連接于高壓變壓器副邊儲能電容的電壓變化情況，這種方法雖然能夠實現輸出與輸入端的地線隔離，但是采集變壓器的原邊，可能會造成誤識別的情況發生。

針對高壓反饋電路從儲能電容兩端進行分壓采樣，輸入和輸出端難以隔離；從變壓器原邊進行采樣，不能直接反映儲能電容電壓，有可能會誤識別的問題，本文提出了基于光耦采集的高壓反饋電路。

1現有的電子安全系統高壓反饋電路

1.1 基于儲能電容兩端直接采集的高壓反饋電路

引信電子安全系統高壓電容（即儲能電容）電壓維持電路由控制器、動態開關、脈沖變壓器、高壓電容器、高壓反饋單元組成。在高壓電容電壓維持階段，控制器通過對高壓電信號進行采樣，控制動態開關工作，實現高壓電容電壓維持。安全系統高壓變換過程中，控制器輸出一定頻率的控制信號，控制升壓開關的開關閉合，驅動脈沖變壓器工作，使其完成電能-磁能-電能之間的能量轉換，將低壓轉換成高壓，通過高壓硅堆給電容充電。從高壓端采樣的反饋電路通過分壓電阻將高壓電容的電壓值通過A/D轉換反饋到控制端，輸出端的電壓僅僅通過電阻分壓反饋到輸入端。這種反饋控制設計的電路中，由于直接從高壓電容分壓得到反饋信號，難以實現輸入和輸出端的隔離。高壓反饋電路原理框圖如圖1所示[3]。

1.2 基于變壓器原邊采集的高壓反饋電路

在充電電路的輸入端和輸出端不隔離的情況下，輸出端的高電壓將對電路的安全性和可靠性產生很大影響，為了解決使用反激式充電電路的電氣隔離問題，變壓器原邊采樣的反饋控制電路從變壓器原邊進行采樣，通過反饋控制電路控制高壓電容上的充電電壓，采用濾波方法消除漏感電壓對反饋電容電壓的影響。從變壓器原邊采樣反饋電路如圖2所示[4]。這種變壓器原邊采樣高壓反饋電路，由于直接采集變壓器原邊電壓，對變壓器次邊的電壓、電流參數，不能夠進行有效的采集與識別，不能直接反映儲能電容的電壓變化，可能會造成誤識別的情況發生。

2 基于光耦采集的高壓反饋電路

基于光耦采集的高壓反饋電路原理框圖如圖3所示。

光耦的工作模式是：輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端完全沒有影響，開始工作時光耦處于截止狀態。在圖3中，光耦采集的高壓反饋電路將采樣電阻R采集1接入高壓組件，直接反映連接于高壓變壓器副邊儲能電容的電壓變化情況。在對儲能電容充電過程中，隨著儲能電容電壓的升高，U1采樣電壓逐漸升高，經過電壓跟隨器，對U1采樣電壓進行電壓跟隨，控制光耦導通，U2采樣電壓逐漸升高，經過運算處理電路的電壓變換，微控制器進行電壓采集與識別，控制MOS管導通和截止，實現向儲能電容的充電和充電電壓的維持。利用光耦采集能夠隔離在儲能電容充電和電壓維持過程中產生的電磁干擾信號對MOS管控制端的影響，實現了控制地線與采樣地線的完全隔離。

光耦采集的高壓反饋電路是指利用光耦實現了電路輸入端與輸出端電氣隔離，提高了抗干擾能力，光耦從變壓器副邊直接采集儲能電容采樣電阻的電壓信號，利用光耦導通反饋到控制端控制MOS管導通與截止維持高壓儲能電容的電壓變化，直至起爆直列式爆炸序列。

3 試驗驗證

為了驗證基于光耦采集的高壓反饋電路的可行性，設計了硬件測試電路。分為兩個方面進行，（1）在-30℃～+60℃范圍內，驗證U1采集和U2采集之間的傳遞關系；（2）在-30℃～+60℃范圍內，驗證高壓反饋電路的可行性。

3.1 U1采集和U2采集之間的傳遞關系

將圖3的原理框圖進行等效變換，在U1采集的輸入端直接注入電壓值，采集U2采集的電壓值，驗證光耦對輸入端與輸出端的隔離特性。光耦選用了電流傳輸比CTR線性度較好的夏普公司的PC817B，為了保證光耦能夠可靠導通，U1采樣輸入電壓從1.5V變化到2.5V，在-30℃～+60℃范圍內，測試U2采集的輸出電壓信號變化情況。具體測試原理圖如4所示。

在試驗過程中，采用信號源33220模擬輸入電壓信號，由于信號源的輸出功率較小，利用OPA348運算放大器進行電壓跟隨，完成輸入信號的模擬。電阻R2取值510Ω，精度1%，電阻R2采樣取值510Ω，精度1%。

由表1可以看出，采用光耦后，通過電壓跟隨器能夠實時反應輸入端電壓的變化。當輸入電壓U1采樣從1.5V變化到2.5V時，輸出電壓U2采樣也隨之增加呈線性變化，能夠直接反映輸入端的電壓變化情況。當輸入電壓U1采樣為1.5V時，在-30℃～+60℃的溫度范圍內，最大誤差ε=0.11V。輸入端地線與輸出端地線利用光耦完全隔離，使輸出端的電磁干擾信號，不能反饋到輸入端，保證輸出端的電壓信號能夠實時的反映輸入端的變化情況，不受電磁干擾信號的影響。

3.2 高壓反饋電路測試

引信電子安全系統中，采用不敏感火工品（沖擊片雷管）作為首發火工品，其發火方式：0.2uF，1000V的發火能量為0.1J[2]，因此在本次驗證試驗中，采用0.22uF的電容作為儲能電容，完成沖擊片雷管的起爆。根據圖3搭建硬件測試電路，選用光耦PC817B進行輸入端與輸出端的隔離，直接采集儲能電容的電壓信號，在-30℃～+60℃的溫度范圍內進行測試。

設定AD采集的閾值為0.6V，即當采集的電壓值大于0.6V， MOS截止；當采集的電壓值小于0.6V，MOS管以一定的頻率導通和截止。R采樣1取值51K、47K、43K、39K、36K、33K，精度1%，在-30℃～+60℃的溫度范圍內進行高壓反饋電路測試。具體測試結果如表2和圖5所示。在圖5中，示波器通道2表示為U2采樣電壓，500mV/格；示波器通道1表示儲能電容兩端電壓，500V/格。

4 結論

本文提出了基于光耦采集的高壓反饋電路，是指利用光耦實現了電路輸入端與輸出端電氣隔離，提高了抗干擾能力，光耦從變壓器副邊直接采集儲能電容采樣電阻的電壓信號，利用光耦導通反饋到控制端控制MOS管導通與截止維持高壓儲能電容的電壓變化，直至起爆直列式爆炸序列。驗證試驗表明：光耦采集的高壓反饋電路能可靠隔離輸入到輸出端的干擾信號，當儲能電容的電壓值大于1000V時，在-30℃～+60℃的溫度范圍內，儲能電容充電電壓的最大誤差不超過100V。通過調節采樣電阻R采樣1的阻值能夠實時控制儲能電容充電電壓的大小，滿足引信電子安全系統的起爆要求。

參考文獻：

[1] 張龍山.引信技術概論[C].西安：中國兵器工業集團第二一二研究所，2008：103-104.

[2] 韓克華，任西. 秦國升.引信電子安全起爆系統抗電磁干擾加固方法[J].探測與控制學報，2010，32（5）：83-88.

[3] 蘇鋒，康興國，鄭松.控制開關周期高壓電容電壓無反饋維持方法[J].探測與控制學報，2016，38（3）：13-16.

[4] 何光林，黃科偉.引信電子安全系統高壓反饋電路研究[J].北京理工大學學報，2009，29（1）：47-49.

【通聯編輯：光文玲】