基于电荷平衡原理的引信模拟自毁电路

吴　奇，李晓晨，柳海斌

(西安机电信息技术研究所, 西安　710065)



基于电荷平衡原理的引信模拟自毁电路

吴奇，李晓晨，柳海斌

(西安机电信息技术研究所, 西安710065)

摘要:针对传统分立电子元件模拟自毁技术的功耗高、可靠性较差，提出了一种基于电荷平衡原理的引信模拟自毁电路。该电路利用电荷平衡原理取能，辅以负电压计时模块和正电压起爆模块完成自毁功能。仿真计算和试验验证表明,该电路功耗低、计时精度高、体积小、可靠性高。

关键词：引信；模拟自毁；电荷平衡

Citation format:WU Qi, LI Xiao-chen, LIU Hai-bin.Analog Circuit of Fuze Self-Destruction Based on the Charge Balance Principle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):102-105.

对引信增加自毁模块,提高自毁作用率,是提高子弹药综合作用率减少未爆弹药的主要措施之一,也是世界各国子弹药引信技术的主要发展方向[1]；实现子弹药自毁装置[2]的技术方法有机械自毁技术、火药自毁技术、化学自毁技术、模拟自毁技术、专用IC 集成电路自毁技术和单片机( 微处理器) 自毁技术等。目前引信中的自毁模块一般采用电子自毁模式，电子自毁一般分为专用IC电路的定时自毁、单片机自毁和传统分立电子元件的模拟定时自毁3种方式[3]。采用传统分立电子元件的模拟定时自毁的电路成本较低，但是功耗较高、自毁延时精度较差[4]、体积较大等缺点限制在引信自毁电路中的广泛应用。针对传统模拟自毁电路的缺点，提出了基于电荷平衡原理的引信模拟自毁电路。

1自毁和电荷平衡

1.1自毁实现方法

机械自毁技术一般采用钟表定时自毁，是一种早期的自毁技术，钟表自毁机构需要复杂的工序，体积大、结构复杂，现已很少使用。

火药自毁技术大多数采用延期药盘实现自毁功能，其计时精度差，自毁时间受限，体积大，也已很少使用[5]。

化学自毁技术是利用化学反应实现自毁，其发火时间较长、时间散布大、而且结构复杂，现已不再使用。

专用IC 集成电路自毁技术是在分立电子元件电路基础上发展起来的[6]，质量、体积比分立元件电路小，适合小空间内加装，目前已成功用于智能地雷上。但是成本较高，在低价值子弹药引信中应用受到一定的限制。

单片机( 微处理器)[7]自毁技术是利用现代电子技术和微型计算机技术的新型自毁技术，通过软件实现延时[8],但是功耗较高，工作电流约为10μA,所以适用环境受到一定制约。

传统模拟自毁技术一般采用分立电子元件组合而成，它的出现使自毁技术由机械自毁方式向电子自毁方式转变，组成结构是电路内部的各个模块与电源共地设计，计时模块、发火模块和取能模块并联共零电平设计，组成框图，如图1；采用大电容充放电的方式完成自毁时间要求，自毁时间由电容充放电时间决定，自毁装置体积较大，响应时间长，反应慢，影响自毁可靠性。在传统模拟自毁电路中，取能模块都是采取负载并联的方法，将发火电容和和自毁计时电容并联，由于这种取能方法遵循负载叠加的原则，所以缺点是发火电容和计时工作电容之间的能量匹配只能靠电容的容值来分配，电源负载高，所以利用率低，其简化等效模型如图2。

图1　传统模拟自毁电路原理框图

图2　传统取能模型图

1.2电荷平衡

电荷平衡原理是指系统中电荷处于稳定状态[9]，整个系统中的正负电荷数合计为零；在取电的过程中将电源电荷分为正电荷、负电荷两部分分别存储起来，两部分数学和为零即将取能电容串联起来，电容上的电荷数学和为零[10]。电荷平衡原理简化框图如图3所示。

电荷平衡原理遵循的数学模型如下

C1×U1=C2×U2

由电荷平衡原理的数学模型得到电源负载为(C1+C2)/C1×C2，即将负载有效降低，提高了电源利用率。

图3　电荷平衡原理简化框图

2基于电荷平衡原理的引信模拟自毁电路

本研究提出了基于电荷平衡原理的全新模拟自毁电路架构，将计时模块和发火模块串联浮地设计。自毁电路按照功能分为取能模块、负电压计时模块、正电压起爆模块和正负电平转换模块。组成原理框图如图4。该方案适用于直流、交流和脉冲电源，特别应用在磁后坐电机作为电源的引信系统中，可有效提高电源利用率。

图4　组成框图

取能模块负责吸收和储存电源能量并给负压计时模块和正压起爆模块提供电源，正负电平转换模块负责将起爆信号转换后传递给正电压起爆模块，然后输出起爆信号。

基于电荷平衡原理的自毁电路取能方式是将发火电容和和自毁计时电容串联起来，并辅以过压保护和能量分配电路，这样等效电容值下降，就实现了取能模块阻抗的变换，对电源的利用率提高2倍左右；电源随着负载的减小，输出的能量也会提高，由于这种取能方法遵循电荷相等原则，其简化等效模型如图5。

图5　串联等效模型

负电压计时模块负责监测计时电容电压，并利用计时电容当作电源产生电压基准作为比较器的参考基准，当电压到达预定阀值后经推挽放大输出负电压起爆信号，组成框图如图6。

图6　负电压计时模块组成框图

如图所示，电容通过2个串联电阻放电，同时为电压基准和微电流源提供能量，电容上的电压通过电阻缓慢放电，当电容上的电压比基准电压低时，比较器翻转，信号经过半导体场效应管推挽后输出负电平起爆信号。

正电压起爆模块主要负责接收起爆指令后输出起爆能量，原理如图7所示 。如图所示计时储能的电压经过电压调整后储存，当电平转换模块驱动电子开关2导通后，触发信号经整形后导通电子开关1，将起爆能量导通至雷管，从而起爆。

图7　正电压起爆模块组成框图

正负电平转换模块负责将负电压计时模块输出的负电压起爆信号，转换为正电压信号，然后驱动电子开关，导通触发能量至闸流管，从而起爆雷管。

3仿真计算及试验验证

3.1仿真计算

按照简化等效模型图2和图5进行取能仿真计算。按照碰目标时的过载驱动磁芯运动，从而磁电机发电的方式计算，其计算方法如下

磁电机发出的能量E(t)计算方法如下：

(1)

其中：N为磁后座电机线圈匝数；Vr为磁芯速度；S为磁芯运动行程；Φ0为线圈截面积。

假设子弹的加速度曲线a(t)是线性上升，子弹的运动速度为

(2)

其中：V为子弹落速；Vc为子弹落点速度；am为加速度。

得到磁芯的运动速度为

(3)

磁芯的位移为

(4)

并联取能电路的微分方程为

(5)

其中：R为磁电机等效内阻；L为磁电机等效电感；E(t)为磁后座电机在速度V时发出的瞬态电压。

串联取能电容电荷E(c)遵循平衡原理

(6)

其中：C1、C2为电容值；U为电容电压。

RLC对E(t)的响应，就是它对δ(t)的响应与E(t)的卷积，即电路对E(t)的响应

(7)

其中E(ξ)=Asinw1ξ。

积分可得到取能电容上电压的表达式为

(8)

经过编程计算，对不同的速度可计算出不同的磁电机发电曲线,求出储能电路中电容器储存电压V与不同落速之间的关系，如图8所示。

图8　并联模型储存电压V与不同落速之间的关系

在本方案中是将取能电容串联起来，经过编程计算，对不同的落速可计算出不同的磁电机电压E(t)曲线,可求出储能电路中电容器储存电压V与不同落速之间的关系如图9中的曲线所示。

图9　串联模型储存电压V与不同落速之间的关系

经过仿真计算得到串联方式比并联方式获得多约1倍的电荷数，这样在电路工作电流固定的情况下，获得了更多的有效使用能量，使电路的性能大大提高。在串联实际应用中通过调整2个电容的容值匹配不同的电压，使参数得到进一步优化。

3.2试验验证

将该基于电荷平衡原理的模拟自毁电路和传统并联取电方式模拟自毁电路进行了同条件下的磁电机取电试验，试验结果如表1所示。

由试验结果得到，在等效容抗一致、同等电源的情况下，电荷平衡型的取电方式比传统并联取电方式获得多约1倍的能量，和仿真结果一致。

该基于电荷平衡原理的模拟自毁电路已经应用在火箭子弹引信中,共进行了1 000发原理样机试制和20 000发生产,试制合格率达到了99%，并经过了高温，低温的性能测试，技术参数对比如表2所示。

基于电荷平衡原理的模拟自毁电路通过对1 000发数据统计结果显示，工作电流、常温计时精度、高低温计时精度和体积都达到了专用集成电路水平，试制产品合格率提高了约10%，成本最低。

表1　试验结果对照

表2　参数对照

4结论

提出了基于电荷平衡原理的引信模拟自毁电路。该电路利用电荷平衡原理取能，将电源电荷分为正电荷、负电荷分别存储，辅以负电压计时模块利用负电荷完成计时工作；正电压起爆模块利用正电荷完成起爆输出功能，正负转换模块完成计时模块和起爆模块之间的信号传递。仿真计算和试验验证表明该架构的模拟自毁电路功耗低、计时精度高、体积小、可靠性高、成本低。该自毁电路架构模式为引信自毁电路的设计提供了一种新的技术途径，可以广泛地应用于多种引信。

参考文献：

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(责任编辑杨继森)

Analog Circuit of Fuze Self-Destruction Based on the Charge Balance Principle

WU Qi, LI Xiao-chen, LIU Hai-bin

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Abstract:Aiming at the low reliability and high power consumption of discrete electronic components, a analog circuit of fuze self-destruction was designed based on the principle of charge balance. Obtaining the energy on the basis of the charge balance principle, the circuit can realize the function of self-destruction with negative voltage timing module and positive voltage ignition module. The simulation and the experiment both prove that the circuit have advantages of low power consumption, high timing accuracy, small size and high reliability.

Key words:fuze；analog circuit of fuze self-destruction; charge balance principle

文章编号：1006-0707(2016)03-0102-05

中图分类号：TJ430.1

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.025

作者简介：吴奇(1980—)，男，主要从事引信研究。

收稿日期：2015-10-19；修回日期：2015-10-31

本文引用格式：吴奇，李晓晨，柳海斌.基于电荷平衡原理的引信模拟自毁电路[J].兵器装备工程学报，2016(3):102-105.

【信息科学与控制工程】