火箭发动机试验电磁阀电流隔离式测量电路

凌思睿，丁博深

(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

0 引言

火箭发动机是火箭、卫星等各类航天器的动力来源。在地面试验时，需要对发动机和试验工艺系统的大量电磁阀进行控制和状态记录，确保系统正常运行。因此，电磁阀电流参数的获取至关重要。一方面，电磁阀通电时的电流大小是阀门工作状态的判断依据；另一方面，电磁阀开启和关断时的电流曲线用于计算阀门响应特性参数[1-2]。火箭发动机设计单位对电磁阀电流测量系统的常见性能要求为：静态精度优于0.5～1%，-3 dB带宽不小于10～20 kHz。

在火箭发动机试验中，传统的电流测量方法是在电磁阀回路中串联一个0.5 Ω以下的高功率水泥电阻或铝壳电阻并测量其两端电压差[3-4]，但此种方法存在如下问题：①采样电阻本身精度只有1%，温度系数高达100～300 ppm/℃。电阻上耗散功率导致的温漂加上后端电路约±0.1%的误差，精度不能满足要求；②采样电阻位于电源高侧时，其共模电压可高达30 V以上，超出了大部分数据采集系统的输入电压范围，必须使用独立的信号隔离模块把负载回路隔离，带来高昂的成本；③电阻位于低侧时，无法检测出电源正端的对地故障，而且负载电流在地线上产生的干扰电压会耦合进测量系统。此外，还可以利用霍尔电流传感器进行测量[5-6]，但其测量精度较低，一般只能用在要求不高的试验工艺系统上。

为解决上述问题，本文设计了一种具有电流采样、信号放大和隔离输出功能的电磁阀电流测量电路，增益可根据需求调整，适用于高侧或低侧电磁阀电流测量。

1 整体方案

本文的电流测量电路主要分为电流检测电路、隔离电路、输出电路3个部分，如图 1所示。电流检测电路部分主要功能是在电磁阀电流上串联小阻值采样电阻，再用电流检测放大器INA240把电阻两端电压放大。该电压经隔离放大器AMC1311隔离后，利用仪表放大器INA826转为单端电压信号输出到数据采集系统。2个DC-DC模块为输入和输出端提供独立的隔离供电。在最大3 A的电磁阀电流下，采样电阻RSHUNT两端电压为30 mV，隔离放大100倍后输出3 V电压，电流测量灵敏度为1 V/A。

图1 电流测量电路功能框图Fig.1 Functional block diagram of the current measurement circuit

2 供电电路设计

为保护后端器件并隔离干扰，把外部5 V供电经过2个隔离式DC-DC模块后，输出2路5 V的隔离电源，分别为电流测量电路输入和输出端供电，实现了电气隔离。选用了金升阳公司的B0505S-2WR2隔离非稳压DC-DC模块。该产品适用于：①输入电压比较稳定(电压变化范围±10%)；②输入输出之间要求隔离电压≤1 500 VDC；③对输出电压稳定度要求不高。其关键参数为：开关频率100 kHz，纹波电压75 mVP-P，输出电压5.5 V，最大电流400 mA，效率高达84%，能满足本设计的供电需求。

DC-DC电路原理如图2所示。图中C1=C2=4.7 μF，与6.8 μH的差模电感LDM组成了电磁干扰滤波器，防止外部交流线路产生的噪声进入。COUT=10 μF为输出滤波电容。需要注意的是，电路输出最小负载不能小于额定负载的10%。

电流检测电路中的精密放大器需要低噪声电源供电。在隔离式DC-DC模块供电的基础上，用高电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio，PSRR)的低压差线性稳压器(Low-Dropout，LDO)进行后期稳压。根据电流检测电路各放大器的输入输出范围，选择了凌力尔特(Linear Technology)公司生产的LT3042型LDO芯片，其内部为一个高精度电流基准后接一个高精度电压缓冲器，是当前业界PSRR最高的稳压器之一[7]，在100 kHz处的PSRR高达78 dB，可以有效减小DC-DC模块产生的开关噪声。其关键参数为：最大输出为200 mA时，压差350 mV、输出噪声0.8 μV。

LDO电路原理如图 3所示。LT3042内部100 μA电流源从SET引脚引出，在RSET上产生的电压经缓冲后输出，有VOUT=100 μA·RSET。根据DC-DC模块的输出特性和电流测量的需求，选择RSET=45.3 kΩ，即可设置VOUT=4.5 V。然而要获得理想的精度、稳定性和带宽，必须注意：①CIN和COUT均选择4.7 μF，低ESR和低ESL，X7R电介质的陶瓷电容；②RSET选择10 ppm/℃的低温漂电阻；③用低漏电流的CSET=10 nF旁路SET引脚上的干扰；④在电路板两面用电位与VOUT相等的保护环把SET引脚保护起来，并彻底清洁电路板，防止电流泄漏；⑤输出电压反馈信号OUTS应直接从COUT的正端取；⑥RSET、CSET的负端应从COUT的负端取，并使CIN和COUT负端之间的距离尽量短。

图3 LDO电路原理图Fig.3 Functional block diagram of the LDO circuit

3 电流检测电路设计

3.1 采样电阻

火箭发动机电磁阀常用电流范围约0.5～1.5 A。选用了厚声公司Metal Strip系列金属箔电阻，精度1%，阻值为10 mΩ，温度系数仅为±30 ppm/℃。额定功率3 W，尽可能减小温升。

3.2 电流检测放大器

为了放大采样电阻上的30 mV电压，选用TI公司的INA240A2精密电流检测放大器，其固定增益50 V/V，也可根据测量需要选取其他增益的型号。该芯片输入共模电压范围能覆盖常用发动机电磁阀的工作电压。具有增强型PWM抑制功能，可有效减小负载通断电时共模电压变化而产生的输出瞬变及恢复纹波[8]。采用零温漂架构，关键参数为：输入失调电压±5 μV，漂移±50 nV/℃，输入偏置电流90 μA，带宽400 kHz，输出电压可低至1 mV，非常适合用于测量火箭发动机电磁阀电流。电流检测放大器电路设计如图 4所示。采样电阻到INA240输入端的引线应使用开尔文连接方式从焊盘中心引出，并使引线长度相同。REF1、REF2、GND引脚和电源去耦电容的负端应在一处单点接地。

图4 电流检测放大器电路原理图Fig.4 Functional block diagram of the current sensing circuit

3.3 反电势抑制

火箭发动机电磁阀是典型的感性负载，从通电状态断开时，其两端会产生数十到上百伏的反向电动势[9]，超出了电流检测放大器允许的共模电压范围，导致芯片烧毁。最常规的对策是用续流二极管与感性负载并联，可以释放线圈中的能量并迅速把反电势钳位[10]。但是在火箭发动机电磁阀控制电路中为了加快能量释放和电磁阀关闭速度，经常会使用一个电阻与二极管串联后再与线圈并联，如图5中D1和R1所示。D1是续流二极管，常用1N4007；R1具体阻值根据发动机设计单位的要求选择或者短接。此时反电势尖峰的持续时间更短，但共模电压(Common Mode Voltage，VCM)峰值仍有数十伏[11]，后端芯片不能承受。

图5 反电势抑制电路原理图Fig.5 Schematic diagram of the back EMF(Electro-motive Force) suppression circuit

瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS)的两端加载超过其反向击穿电压(Break Down Voltage，VBD)的尖峰脉冲时，能以纳秒级的速度降低自身阻抗，使两端维持在钳位电压(VCLAMP)，具有响应速度快、瞬态功率大、漏电流低等优点。本文据此设计了改进的反电势抑制电路，关键元件TVS2为反向偏置的TVS二极管，如虚线框中所示。继电器触点断开时，TVS2迅速击穿，把VA钳位在VCLAMP。此时TVS1也正向导通，因此VB≈-(VCLAMP+0.7)V。继电器触点闭合时，TVS1令本支路反向截止。在真实发动机电磁阀上测试了国内外10种标称VBD<4 V的低电压TVS二极管，结果如表1所示。

表1 10种低电压TVS二极管钳位电压测试结果Tab.1 Clamping voltage test result of 10 low voltage TVS

仅有晶焱科技的双向TVS二极管AZ6225-01F可将VA钳位在-5 V以内，使RSHUNT上的VCM满足INA240极限参数(-6～90 V)的要求。TVS1选用型号为SMAJ54A的TVS二极管，其反向漏电流仅1 μA，可以提供额外的过压保护，也可以使用普通二极管。

3.4 隔离放大器

火箭发动机电磁阀的电源电压通常在30 V附近，大大超出常见数据采集系统允许的共模电压范围。此外，负载的地线上动态电流较大且与测量地之间存在一定阻抗，容易引入干扰信号。工程上一般采取电气隔离的手段解决安全和干扰问题。常见的模拟信号隔离方案有4种：①以AD215、DataForth SCM5B等为代表的独立隔离模块[12-13]，采用变压器耦合，性能最好但体积、功耗和价格都很高；②基于嵌入式系统，在A/D和D/A之间进行数字隔离[14-15]，一般精度和速度不能兼得；③利用精密线性光耦HCNR201等搭建电路[16-17]，使用比较灵活，但其温度系数较大；④基于Δ-Σ调制和开关键控调制(On-off Keying,OOK)，电容隔离的隔离放大器[18]，在各种指标上取得了较好的平衡，如ISO224和AMC1xxx系列。

本文选用了TI公司的AMC1311B隔离式精密放大器，针对隔离式电压测量进行优化，增强型电隔离高达7 kV[19]。其关键参数为：输入失调电压±0.4 mV，漂移±3 μV/℃，增益漂移5 ppm/℃，带宽275 kHz。可接受-0.1～2 V的单端输入，并转化为单位增益的差分输出。可以有效地把电流检测侧和输出侧隔离，同时保持较高的精度。隔离放大器电路设计如图 6所示，两侧的去耦电容都选用1206封装的陶瓷电容，输入输出信号线应尽可能短，并从电容和地层之间走线。

图6 隔离放大器电路原理图Fig.6 Schematic diagram of the isolation amplifier circuit

3.5 仪表放大器

由于AMC1311B输出为1.44±1 V的差分信号，为了适应发动机试验台上不同的数据采集系统，需要把差分信号转成单端信号。仪表放大器是一种低成本、高性能的解决方案。本文选用了TI公司的INA826，输入失调电压为±40 μV，漂移为±0.4 μV/℃，带宽在500 kHz以上。仪表放大器电路设计如图7所示，增益设置电阻为固定电阻RG1(47 kΩ，10 ppm/℃)和可调电阻RG2(5 kΩ，100 ppm/℃)串联，可以减小可调电阻温漂产生的影响。增益设置为2，可调范围约±5%，覆盖采样电阻容差及前面2级放大器的初始增益误差。增益设置电阻对寄生电容敏感，应把附近的地层去除[20]。

图7 仪表放大器电路原理图Fig.7 Schematic diagram of the instrumentation amplifier circuit

4 测量误差分析

电流的测量精度除了取决于电路本身特性，还与电磁干扰、电缆阻抗等众多外部因素相关。其中一些误差如增益误差等容易进行校准，下面将只讨论包含温漂、噪声等在内的不可校正误差，统一折算到各级的输入端电压进行分析。由于本电路一般集成安装于机柜内，设环境温度为25±15 ℃。

4.1 基本误差

基本误差包括运放输入失调电压、输入偏置电流、共模信号等系统固有的不可校正误差源，如表2所示。

表2 基本不可校正误差估算Tab.2 Uncorrectable error estimation of basic errors

4.2 温漂

温漂包括采样电阻、运放输入失调电压、增益等参数因为温度变化产生的漂移，如表3所示。

表3 温漂导致的不可校正误差估算Tab.3 Uncorrectable error estimation of temperature drift

4.3 噪声

噪声误差主要考虑各级放大电路的电压噪声，如表4所示。

表4 噪声导致的不可校正误差估算Tab.4 Uncorrectable error estimation of noise

4.4 总误差估算

上述各项误差之间是相互独立的，使用均方根方法对各项误差进行合成，估算出在25±15 ℃的范围内，总不可校正误差约为0.1449%。其中温漂导致的误差最大，因此应尽可能保持使用环境和元件温度稳定，如加强机柜通风，在采样电阻上安装散热片等。

5 校准与测试

5.1 静态校准

为评估电流检测电路的静态精度，利用普源DL3021A电子负载的恒流模式调整负载电流，Keithley 2000六位半数字多用表测量电流和输出电压，进行3个循环后用最小二乘法拟合工作直线。其中1个循环的结果如表 5所示。测试结果显示其非线性0.023%，重复性0.030%，迟滞0.028%，未校准时综合精度优于0.09%，校准后工作直线的综合精度优于0.025%。

表5 稳态校准结果Tab.5 Calibration result of static measurement

5.2 动态响应测试

利用泰克AFG3011C波形发生器产生正弦波和方波信号，用普源MSO5072示波器测试输出信号，结果显示本电路小信号-3 dB带宽为235 kHz；受INA826的压摆率限制，满量程输出时-3 dB带宽为110 kHz。方波信号测试结果如图 8所示，上升时间1.88 μs，下降时间1.86 μs，动态性能满足发动机电磁阀电流测量要求。

图8 电路阶跃响应Fig.8 Step response of the circuit

5.3 电磁阀负载测试

用本电路测量某型号火箭发动机电磁阀的电流信号，如图 9所示。在额定电流1.65 A时，噪声为2.53 mA，比传统测量方法下降了84%，取得了良好的应用效果。

图9 本文电路与传统测量方法测量效果对比Fig.9 Comparison of the effect between this circuit and traditional measurement methods

6 结语

本文设计的电磁阀电流测量电路具有电流采样、信号放大、隔离输出功能。反电势抑制电路确保其在感性负载下可靠工作。误差分析得出本电路的总不可校正误差为0.144 9%。实物电路板校准后精度优于0.025%，满量程-3 dB带宽为110 kHz，与传统测量方法相比，在性能和成本上均具有明显优势，如表6所示。本电路已于多个火箭发动机试验台中使用，对采样电阻和增益进行适应性修改后，也可应用于其他电流测量任务中。

表6 两种测量方法性能价格对比Tab.6 Performance and price comparison of two measurement methods