基于参数计算的电子安全系统起爆回路优化方法

郑松

[关键字] 电子安全系统；起爆回路优化方法；参数计算模型

1 引言

引信电子安全系统是第三代引信安全系统，采用冲击片雷管[1]作为初级发火单元。冲击片雷管作为目前国内外安全等级最高的火工品，激励形式为瞬时大电流（上升时间200ns、电流峰值大于2000A[2])，回路容性、感性、阻性参数直接决定起爆电流是否满足冲击片雷管的起爆要求，因此优化电路参数设计，减小起爆回路参数的影响，提高电流上升陡度、峰值是电子安全系统设计的关键技术之一。电子安全系统回路感性参数、容性参数、阻性，在起爆电流流过瞬间均是动态变化的，定量参数无法通过测量设备进行测量。容性、阻性、感性参数其物理意义不同，造成优化方法有着本质区别。容性参数优化需要通过减少器件寄生电容实现；阻性参数优化需要通过PCB板加工材料降阻、走线线宽增加等工艺实现；感性参数优化需要通过优化PCB走线间互感参数实现。目前国内外根据回路参数类型不同开展针对性的优化设计方面的论文鲜有发表，传统的起爆回路方法往往采用试验和数据统计的方法，通过多次试验数据进行定性分析完成优化设计，这种优化方法由于缺乏起爆回路量化参数，因此回路参数优化往往不具有针对性，容易造成设计矫枉过正。本文针对电子安全系统起爆回路优化设计过程中，由于缺乏起爆回路参数的量化计算造成的优化方法缺乏针对性的问题，提出了基于参数计算的电子安全系统起爆回路优化方法。

2 电子安全系统起爆回路模型建立

起爆回路电路RLC[3]简化模型，图中C为高压电容器容值、R1为起爆回路的等效电阻、L为回路电感，R0为冲击片雷管的内阻。为方便计算，将短路开关假设为理想开关，R=R0+R1电路图如图1所示。

图1 起爆回路简化原理图

根据初始状态电路回路电流i(0-)=0，电容电压UC(0-)=0，对上图进行拉普拉斯变换得：

令

σ为电路衰减程度，ω为起爆电路谐振频率。

对上述公式进行拉普拉斯逆变换计算得到：

由上式可知动态阻性、容性、感性参数均与起爆电流有直接关系。利用起爆电流的测试结果，利用上式可对各参数进行估算。

3 基于参数计算的电子安全系统起爆回路优化方法

3.1 引信电子安全系统起爆电路回路参数计算

电流测试通常有分流器法和罗果夫斯基线圈法。分流器法是测试冲击电流的常用方法，但由于分流器是串联在测试电路中的，测试结果不能完全反映起爆电流。通常在大功率冲击电流测试中采用罗果夫斯基线圈法进行测试。测试得到第一个电流峰值为I1max，t1max，第二个电流峰值I2max，t2max进行回路参数估计。

第一个峰值电流为：

第二个峰值电流为：

由于起爆电流为周期振荡曲线，则有：

根据起爆电流放电周期T得：

由

得到起爆回路参数估算结果。

3.2 回路参数优化方法

起爆回路参数主要涉及动态电阻、电感、电容。

3.2.1 回路参数阻性参数优化

回路阻性参数主要通过以下措施减小回路电阻：

a)增加PCB板覆铜厚度，建议覆铜厚度采用50μm、70μm工艺；

b)减小回路引线长度，增加回路引线宽度，引线宽度建议大于5mm，直流稳定过流12A；

c)表面PCB覆铜进行镀金处理；

d)减少回路导线转接环节，必要时可以采用压接、焊接，尽量不采用螺钉压紧方式，防止接触电阻过大造成高压击穿。

3.2.2 回路参数感性参数优化

回路感性参数主要通过以下措施减小回路电感：

a)回路正负极尽量采用平行走线方式，增大平行面积；

b)尽量避免90°角度转弯，对于转角处进行圆化处理；

c)采用高介电参数基板材料，信号带宽大于100Mhz；

d)引线采用双绞或平行聚酯板。

3.2.3 回路参数容性参数优化

a)选择合适介电常数基板材料，减小寄生电容；

b)设计锐化电容器，提升回路振荡频率；

c)优先选择脉冲放电类型电容器、根据回路情况选择合适容值的电容。

4 试验验证

为了验证优化设计方法的可行性、有效性，选取电子安全系统起爆回路作为验证对象，优化设计共进行两轮。试验条件如表1所示。

表1 试验条件

表2为两轮优化设计回路电阻、电感计算结果以及起爆电流参数。

表2 测试结果

优化设计完成后，对表3中参数进行分析，经过两轮优化设计回路，阻性参数、感性参数分别减小了28%和20%，峰值电流提高了20%，上升时间缩短了11%，起爆能量输入提高了44%，优化效果明显，试验证明基于参数计算的电子安全系统起爆回路优化方法是可行的、有效的。

5 结论

本文提出了基于参数计算的电子安全系统起爆回路优化方法。通过建立电路参数计算模型，结合起爆电流测试结果，理论计算得到阻性、感性回路参数，根据阻性、感性参数的不同类别采取针对性的降低回路电阻、减小回路电感等措施，最终实现起爆回路优化设计。试验验证表明，基于参数计算的电子安全系统起爆回路优化方法能够有效降低回路阻性、感性参数对于起爆电流的阻碍影响，提升起爆电流，缩短上升时间，提高起爆能量输出，优化设计方法合理可行。