CN106595409B - 火工品起爆恒流发火模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种火工品起爆恒流发火模块，包括前级限流电路、后级限流电路，所述前后两级限流电路包括限流电路、驱动及功率电路。本发明的有益效果是本发明的火工品起爆恒流发火模块选用固态开关MOSFET作为恒流保护开关用于替代以往航天器火工品中的发火电路，可根据指令进行恒流工作，并且具有指令容错功能，无需调试和更换限流电阻，可多路起爆装置共用一个发火模块，是一种可恢复的、重复使用的发火电路产品，因此具有操作简单，生产、调试时间短，可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其涉及火工品起爆恒流发火模块。
背景技术
目前国内火工品起爆装置的一般由继电器、MOS管、限流电阻等组成。图1是目前我国卫星的火工品起爆装置工作原理示意图，图中只给出一条母线。起爆线路上有三个磁保持继电器作为母线与回线的加断电开关及常开电爆阀控制开关，与电子开关四者作为火工起爆装置的四道保险，可以有效地防止其中任意一个开关误动作造成的误起爆。采用霍尔电流传感器作为起爆电流的测量元件，要求测量电路具有采样保持功能，便于测控设备采集起爆电流参数。对于如图1的火工品起爆装置，通常需要串联限流电阻，用来避免火工品桥丝发火后由于搭壳造成起爆母线短路故障。而限流电阻的选取要根据实际航天器电缆网的电阻值来仔细选取，在火工品设备参加分系统或整星联试时，由于限流电阻流过大电流冲击，要在最终发射前，更换所有限流电阻。因此限流电阻的选取、更换是一个非常繁琐的过程，对火工品控制器的研制来说，无形中增加了难度。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种火工品起爆恒流发火模块。
本发明提供了一种火工品起爆恒流发火模块，包括前级限流电路、后级限流电路，所述前级限流电路包括限流电路、驱动及功率电路，所述限流电路包括电阻R1*、电阻R2*、R3*、R4*、R5*、R6*、三极管V1、电阻R4、三极管V2、电阻R5，电阻R1*一端与母线输入VIN相连，电阻R1*另一端与MOS管V26源极相连，电阻R2*、R3*、R4*、R5*、R6*与R1*并联，三极管V1发射极与母线输入VIN相连，三极管V1基极与电阻R4一端相连，三极管V1集电极极与三极管V2发射极相连，电阻R4另一端与MOS管V26源极相连，三极管V2基极与电阻R5一端相连，三极管V2集电极与稳压管V22阳极相连，电阻R5另一端与MOS管V26源极相连；所述驱动及功率电路包括电阻R6、MOS管V26、稳压管V22、电阻R8、电阻R9、三极管V3、三极管V4、稳压管V21、稳压管V24、稳压管V23、电阻R31、电阻R30、MOS管V25，电阻R6一端与MOS管V26源极相连，电阻R6另一端与稳压管V22阳极相连，电阻R7与电阻R6并联，电阻R8及电阻R9的一端与MOS管V26源极相连，电阻R8另一端与三极管V3基极相连，电阻R9另一端与三极管V4基极相连，三极管V3及三极管V4的发射极与MOS管V26源极相连，三极管V3集电极及三极管V4集电极与延时电路相连，稳压管V21阴极与三极管V3基极相连，稳压管V21阳极与稳压管V22阴极相连，稳压管V22阳极与稳压管V24阳极相连，稳压管V24阴极与稳压管V23阳极相连，稳压管V23阴极与三极管V4基极相连，电阻R31及电阻R30的一端与稳压管V24阳极相连，电阻R31另一端与MOS管V26门极相连，电阻R30另一端与MOS管V25门极相连，MOS管V26漏极与MOS管V25漏极相连，MOS管V25源极与稳压管V24源极相连，MOS管V25及MOS管V26的漏极输出接后级限流电路的输入端。
作为本发明的进一步改进，所述前级限流电路包括指令锁存电路、电阻R18、三极管V7、三极管V8、电阻R10、电阻R11，所述指令锁存电路包括电阻R25、二极管V19、电容C6、电阻R26、三极管V12、三极管V10、电阻R27、二极管V18、电阻R28、电阻R24、二极管V16、电容C5、电阻R22、三极管V11、三极管V9、电阻R23、二极管V15、电容C9、电阻R19、二极管V16、二极管V18、二极管V15、电阻R17，电阻R25一端与指令接口输入端TC-ON1相连，电阻R25另一端与二极管V19阳极相连，电容C6一端与二极管V19阳极相连，电容C6另一端接地，电阻R26一端与二极管V19阳极相连，电阻R26另一端与三极管V12基极相连，三极管V12发射极与二极管V19阳极相连，三极管V12集电极与三极管V10基极相连，三极管V10集电极与三极管V12基极相连，三极管V10发射极接地，电阻R27一端与二极管V18阴极相连，电阻R27另一端接地，电容C10与电阻R27并联，电阻R28一端与二极管V19阴极相连，电阻R28另一端接地，电阻R24一端与指令接口输入端TC-ON2相连，电阻R24另一端与二极管V16阳极相连，电容C5一端与二极管V16阳极相连，电容C5另一端接地，电阻R22一端与二极管V16阳极相连，电阻R22另一端与三极管V11基极相连，三极管V11发射极与V16阳极相连，三极管V11集电极与三极管V9基极相连，三极管V9集电极与三极管V11基极相连，三极管V9发射极接地，电阻R23一端与二极管V15阴极相连，电阻R23另一端接地，电容C9与电阻R23并联，电阻R19一端与二极管V16阴极相连，电阻R19另一端接地，二极管V18阳极及二极管V15阳极相连，电阻R17及电阻R18的一端与二极管V16阴极相连，电阻R17另一端与三极管V7基极相连，电阻R18另一端与三极管V8基极相连，三极管V7及三极管V8发射极均接地，三极管V7及三极管V8的集电极相连，电阻R10一端与三极管V7集电极相连，电阻R10另一端与稳压管V22阳极相连，电阻R11与电阻R10并联。
作为本发明的进一步改进，前级限流电路包括电阻R16、电阻R29，所述延时电路包括电阻R12、三极管V6、电阻R21、二极管V13、二极管V14、电阻R13*、电阻R14*、电容C1*、电阻R13、二极管V32，电阻R12一端与MOS管V26源极相连，电阻R12另一端与三极管V6发射极相连，电阻R16与三极管V6发射极相连，电阻R16另一端接地，电阻R29与电阻R16并联，电阻R21一端与三极管V6基极相连，电阻R21另一端与三极管V5基极相连，三极管V6集电极与三极管V5发射极相连，三极管V5集电极与二极管V15阳极相连，二极管V13阳极与三极管V5基极相连，二极管V13阴极与二极管V14阳极相连，电阻R13*一端与电阻R14*一端相连，电阻R13*另一端与MOS管V26源极相连，电阻R14*另一端与二极管V13阴极相连，电容C1*一端与二极管V14阳极相连，电容C1*另一端与MOS管V26源极相连，电容C2*与电容C1*并联，电阻R13一端与三极管V8集电极相连，电阻R13另一端与二极管V32阴极相连。
作为本发明的进一步改进，所述驱动及功率电路包括电阻R32、稳压管V29、稳压管V30，电阻R32一端与MOS管V26源极相连，电阻R32另一端与三极管V31基极相连，三极管V31发射极与MOS管V26源极相连，三极管V31集电极与电阻R34一端相连，电阻R34另一端与开关机状态遥测输出端TM-S相连，电阻R33一端与开关机状态遥测输出端TM-S相连，电阻R33另一端接地，稳压管V29阴极与三极管V31基极相连，稳压管V29阳极与稳压管V30阴极相连，稳压管V30阳极与稳压管V24阳极相连。
作为本发明的进一步改进，所述三极管V3集电极及三极管V4集电极分别与所述二极管V32阴极相连，二极V32阳极与二极管V14阴极相连。
作为本发明的进一步改进，所述后级限流电路包括限流电路、驱动及功率电路，所述限流电路包括电阻R101*、电阻R102*、R103*、R104*、R105*、三极管V101、电阻R104、三极管V102，电阻R101*一端与母线输入VIN相连，电阻R101*另一端与MOS管V126源极相连，电阻R102*、电阻R103*、电阻R104*、电阻R105*与电阻R101*并联，三极管V101发射极与MOS管V26的漏极相连，三极管V101基极与电阻R104一端相连，三极管V101集电极极与三极管V102发射极相连，电阻R104另一端与MOS管V126源极相连，三极管V102基极与电阻R105一端相连，三极管V102集电极与稳压管V122阳极相连，电阻R105另一端与MOS管V126源极相连，电阻R106一端与MOS管V126源极相连，电阻R106另一端与稳压管V122阳极相连；所述驱动及功率电路包括电阻R107、电阻R108、电阻R109、三极管V103、三极管V104、稳压管V121、稳压管V122、稳压管V124、稳压管V123、电阻R130、电阻R131、电阻R132、电阻R133、电阻R134、MOS管V125、MOS管V127，电阻R107与电阻R106并联，电阻R108及电阻R109的一端与MOS管V126源极相连，电阻R108另一端与三极管V103基极相连，电阻R109另一端与三极管V104基极相连，三极管V103及三极管V104的发射极与MOS管V126源极相连，三极管V103及三极管V104的集电极与延时电路相连，稳压管V121阴极与三极管V103基极相连，稳压管V121阳极与稳压管V122阴极相连，稳压管V122阳极与稳压管V124阳极相连，稳压管V124阴极与稳压管V123阳极相连，稳压管V123阴极与三极管V104基极相连，电阻R130、电阻R131、电阻R132、电阻R133、电阻R134的一端与稳压管V124阳极相连，电阻R131另一端与MOS管V126门极相连，电阻R130另一端与MOS管V125门极相连，电阻R132另一端与MOS管V127门极相连，电阻R133另一端与MOS管V128门极相连，电阻R134另一端与MOS管V129门极相连，MOS管V126漏极、MOS管V125漏极、MOS管V127漏极、MOS管V128漏极、MOS管V129漏极相连，MOS管V126源极、MOS管V125源极、MOS管V127源极、MOS管V128源极、MOS管V129源极相连。
作为本发明的进一步改进，所述后级限流电路包括指令锁存电路，所述指令锁存电路包括电阻R125、二极管V119、电容C106、电阻R126、三极管V110、电阻R127、二极管V118、电容C110、电阻R128、电阻R124、二极管V116、电容C105、电阻R122、三极管V111、三极管V109、电阻R123、二极管V115、电容C109、电阻R119、电阻R117，电阻R125一端与指令接口输入端TC-ON1相连，电阻R125另一端与二极管V119阳极相连，电容C106一端与二极管V119阳极相连，电容C106另一端接地，电阻R126一端与二极管V119阳极相连，电阻R126另一端与三极管V112基极相连，三极管V112发射极与二极管V119阳极相连，三极管V112集电极与三极管V110基极相连，三极管V110集电极与三极管V112基极相连，三极管V110发射极接地，电阻R127一端与二极管V118阴极相连，电阻R127另一端接地，电容C110与电阻R127并联，电阻R128一端与二极管V119阴极相连，电阻R128另一端接地，电阻R124一端与指令接口输入端TC-ON2相连，电阻R124另一端与二极管V116阳极相连，电容C105一端与二极管V116阳极相连，电容C105另一端接地，电阻R122一端与二极管V116阳极相连，电阻R122另一端与三极管V111基极相连，三极管V111发射极与二极管V119阳极相连，三极管V111集电极与三极管V109基极相连，三极管V109集电极与三极管V111基极相连，三极管V109发射极接地，电阻R123一端与二极管V115阴极相连，电阻R123另一端接地，电容C109与电阻R123并联，电阻R119一端与二极管V116阴极相连，电阻R119另一端接地，二极管V118阳极及二极管V115阳极相连，电阻R117及电阻R118的一端与二极管V116阴极相连，电阻R117另一端与三极管V107基极相连，电阻R118另一端与三极管V108基极相连，三极管V107及三极管V108发射极均接地，三极管V107及三极管V108的集电极相连，电阻R110一端与三极管V107集电极相连，电阻R110另一端与稳压管V122阳极相连，电阻R111与电阻R110并联。
本发明的有益效果是：本发明的火工品起爆恒流发火模块选用固态开关MOSFET作为恒流保护开关用于替代以往航天器火工品中的发火电路，可根据指令进行恒流工作，并且具有指令容错功能，无需调试和更换限流电阻，可多路起爆装置共用一个发火模块，是一种可恢复的、重复使用的发火电路产品，因此具有操作简单，生产、调试时间短，可靠性高等优点。它的作用与传统的继电器与限流电阻串联的联合体相似，但在性能及功能上有很大的优势：它能快速接通和断开电路而不产生电弧，因而空间性能好，特别适合于航天及航空应用；它内部没有活动部件，因此不产生机械磨损，震动时不产生误动作，故障率低，可靠性高；具有短路及误触发情况下的可恢复功能。
附图说明
图1是国内常用火工品起爆装置工作原理示意图。图2是本发明的火工品起爆装置示意图。图3是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的前级限流电路的第一部分。图4是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的前级限流电路的第二部分。图5是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的前级限流电路的第三部分。图6是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的前级限流电路的第四部分。图7是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的后级限流电路的第一部分。图8是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的后级限流电路的第二部分。图9是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的后级限流电路的第三部分。图10是本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图的后级限流电路的第四部分。图11是瞬态结壳热阻有效值曲线图。图12是26V正常工作时100ms指令与输出电流波形图。图13是45V正常工作时250ms指令与输出电流波形图。图14是后级MOS管短路时指令与输出电流波形图。图15是指令长高时测试的指令与输出电流波形图。
具体实施方式
如图3-10所示，本发明公开了一种火工品起爆恒流发火模块，包括前级限流电路、后级限流电路，所述前级限流电路包括限流电路、驱动及功率电路，所述限流电路包括电阻R1*、电阻R2*、R3*、R4*、R5*、R6*、三极管V1、电阻R4、三极管V2、电阻R5，电阻R1*一端与母线输入VIN相连，电阻R1*另一端与MOS管V26源极相连，电阻R2*、R3*、R4*、R5*、R6*与R1*并联，三极管V1发射极与母线输入VIN相连，三极管V1基极与电阻R4一端相连，三极管V1集电极极与三极管V2发射极相连，电阻R4另一端与MOS管V26源极相连，三极管V2基极与电阻R5一端相连，三极管V2集电极与稳压管V22阳极相连，电阻R5另一端与MOS管V26源极相连；所述驱动及功率电路包括电阻R6、MOS管V26、稳压管V22、电阻R8、电阻R9、三极管V3、三极管V4、稳压管V21、稳压管V24、稳压管V23、电阻R31、电阻R30、MOS管V25，电阻R6一端与MOS管V26源极相连，电阻R6另一端与稳压管V22阳极相连，电阻R7与电阻R6并联，电阻R8及电阻R9的一端与MOS管V26源极相连，电阻R8另一端与三极管V3基极相连，电阻R9另一端与三极管V4基极相连，三极管V3及三极管V4的发射极与MOS管V26源极相连，三极管V3集电极及三极管V4集电极与延时电路相连，稳压管V21阴极与三极管V3基极相连，稳压管V21阳极与稳压管V22阴极相连，稳压管V22阳极与稳压管V24阳极相连，稳压管V24阴极与稳压管V23阳极相连，稳压管V23阴极与三极管V4基极相连，电阻R31及电阻R30的一端与稳压管V24阳极相连，电阻R31另一端与MOS管V26门极相连，电阻R30另一端与MOS管V25门极相连，MOS管V26漏极与MOS管V25漏极相连，MOS管V25源极与稳压管V24源极相连，MOS管V25及MOS管V26的漏极输出接后级限流电路的输入端。
因本发明的火工品起爆恒流发火模块的电路图太大，所以将其拆分为图3-10，将通过连接点进行连接，例如图3中的连接点A2与图4中的连接点A2进行连接。
所述前级限流电路包括指令锁存电路、电阻R18、三极管V7、三极管V8、电阻R10、电阻R11，所述指令锁存电路包括电阻R25、二极管V19、电容C6、电阻R26、三极管V12、三极管V10、电阻R27、二极管V18、电阻R28、电阻R24、二极管V16、电容C5、电阻R22、三极管V11、三极管V9、电阻R23、二极管V15、电容C9、电阻R19、二极管V16、二极管V18、二极管V15、电阻R17，电阻R25一端与指令接口输入端TC-ON1相连，电阻R25另一端与二极管V19阳极相连，电容C6一端与二极管V19阳极相连，电容C6另一端接地，电阻R26一端与二极管V19阳极相连，电阻R26另一端与三极管V12基极相连，三极管V12发射极与二极管V19阳极相连，三极管V12集电极与三极管V10基极相连，三极管V10集电极与三极管V12基极相连，三极管V10发射极接地，电阻R27一端与二极管V18阴极相连，电阻R27另一端接地，电容C10与电阻R27并联，电阻R28一端与二极管V19阴极相连，电阻R28另一端接地，电阻R24一端与指令接口输入端TC-ON2相连，电阻R24另一端与二极管V16阳极相连，电容C5一端与二极管V16阳极相连，电容C5另一端接地，电阻R22一端与二极管V16阳极相连，电阻R22另一端与三极管V11基极相连，三极管V11发射极与V16阳极相连，三极管V11集电极与三极管V9基极相连，三极管V9集电极与三极管V11基极相连，三极管V9发射极接地，电阻R23一端与二极管V15阴极相连，电阻R23另一端接地，电容C9与电阻R23并联，电阻R19一端与二极管V16阴极相连，电阻R19另一端接地，二极管V18阳极及二极管V15阳极相连，电阻R17及电阻R18的一端与二极管V16阴极相连，电阻R17另一端与三极管V7基极相连，电阻R18另一端与三极管V8基极相连，三极管V7及三极管V8发射极均接地，三极管V7及三极管V8的集电极相连，电阻R10一端与三极管V7集电极相连，电阻R10另一端与稳压管V22阳极相连，电阻R11与电阻R10并联。
前级限流电路包括电阻R16、电阻R29，所述延时电路包括电阻R12、三极管V6、电阻R21、二极管V13、二极管V14、电阻R13*、电阻R14*、电容C1*、电阻R13、二极管V32，电阻R12一端与MOS管V26源极相连，电阻R12另一端与三极管V6发射极相连，电阻R16与三极管V6发射极相连，电阻R16另一端接地，电阻R29与电阻R16并联，电阻R21一端与三极管V6基极相连，电阻R21另一端与三极管V5基极相连，三极管V6集电极与三极管V5发射极相连，三极管V5集电极与二极管V15阳极相连，二极管V13阳极与三极管V5基极相连，二极管V13阴极与二极管V14阳极相连，电阻R13*一端与电阻R14*一端相连，电阻R13*另一端与MOS管V26源极相连，电阻R14*另一端与二极管V13阴极相连，电容C1*一端与二极管V14阳极相连，电容C1*另一端与MOS管V26源极相连，电容C2*与电容C1*并联，电阻R13一端与三极管V8集电极相连，电阻R13另一端与二极管V32阴极相连。
所述驱动及功率电路包括电阻R32、稳压管V29、稳压管V30，电阻R32一端与MOS管V26源极相连，电阻R32另一端与三极管V31基极相连，三极管V31发射极与MOS管V26源极相连，三极管V31集电极与电阻R34一端相连，电阻R34另一端与开关机状态遥测输出端TM-S相连，电阻R33一端与开关机状态遥测输出端TM-S相连，电阻R33另一端接地，稳压管V29阴极与三极管V31基极相连，稳压管V29阳极与稳压管V30阴极相连，稳压管V30阳极与稳压管V24阳极相连。
所述三极管V3集电极及三极管V4集电极分别与所述二极管V32阴极相连，二极V32阳极与二极管V14阴极相连。
如图7-10所示，所述后级限流电路包括限流电路、驱动及功率电路，所述限流电路包括电阻R101*、电阻R102*、R103*、R104*、R105*、三极管V101、电阻R104、三极管V102，电阻R101*一端与母线输入VIN相连，电阻R101*另一端与MOS管V126源极相连，电阻R102*、电阻R103*、电阻R104*、电阻R105*与电阻R101*并联，三极管V101发射极与MOS管V26的漏极相连，三极管V101基极与电阻R104一端相连，三极管V101集电极极与三极管V102发射极相连，电阻R104另一端与MOS管V126源极相连，三极管V102基极与电阻R105一端相连，三极管V102集电极与稳压管V122阳极相连，电阻R105另一端与MOS管V126源极相连，电阻R106一端与MOS管V126源极相连，电阻R106另一端与稳压管V122阳极相连；所述驱动及功率电路包括电阻R107、电阻R108、电阻R109、三极管V103、三极管V104、稳压管V121、稳压管V122、稳压管V124、稳压管V123、电阻R130、电阻R131、电阻R132、电阻R133、电阻R134、MOS管V125、MOS管V127，电阻R107与电阻R106并联，电阻R108及电阻R109的一端与MOS管V126源极相连，电阻R108另一端与三极管V103基极相连，电阻R109另一端与三极管V104基极相连，三极管V103及三极管V104的发射极与MOS管V126源极相连，三极管V103及三极管V104的集电极与延时电路相连，稳压管V121阴极与三极管V103基极相连，稳压管V121阳极与稳压管V122阴极相连，稳压管V122阳极与稳压管V124阳极相连，稳压管V124阴极与稳压管V123阳极相连，稳压管V123阴极与三极管V104基极相连，电阻R130、电阻R131、电阻R132、电阻R133、电阻R134的一端与稳压管V124阳极相连，电阻R131另一端与MOS管V126门极相连，电阻R130另一端与MOS管V125门极相连，电阻R132另一端与MOS管V127门极相连，电阻R133另一端与MOS管V128门极相连，电阻R134另一端与MOS管V129门极相连，MOS管V126漏极、MOS管V125漏极、MOS管V127漏极、MOS管V128漏极、MOS管V129漏极相连，MOS管V126源极、MOS管V125源极、MOS管V127源极、MOS管V128源极、MOS管V129源极相连。
所述后级限流电路包括指令锁存电路，所述指令锁存电路包括电阻R125、二极管V119、电容C106、电阻R126、三极管V110、电阻R127、二极管V118、电容C110、电阻R128、电阻R124、二极管V116、电容C105、电阻R122、三极管V111、三极管V109、电阻R123、二极管V115、电容C109、电阻R119、电阻R117，电阻R125一端与指令接口输入端TC-ON1相连，电阻R125另一端与二极管V119阳极相连，电容C106一端与二极管V119阳极相连，电容C106另一端接地，电阻R126一端与二极管V119阳极相连，电阻R126另一端与三极管V112基极相连，三极管V112发射极与二极管V119阳极相连，三极管V112集电极与三极管V110基极相连，三极管V110集电极与三极管V112基极相连，三极管V110发射极接地，电阻R127一端与二极管V118阴极相连，电阻R127另一端接地，电容C110与电阻R127并联，电阻R128一端与二极管V119阴极相连，电阻R128另一端接地，电阻R124一端与指令接口输入端TC-ON2相连，电阻R124另一端与二极管V116阳极相连，电容C105一端与二极管V116阳极相连，电容C105另一端接地，电阻R122一端与二极管V116阳极相连，电阻R122另一端与三极管V111基极相连，三极管V111发射极与二极管V119阳极相连，三极管V111集电极与三极管V109基极相连，三极管V109集电极与三极管V111基极相连，三极管V109发射极接地，电阻R123一端与二极管V115阴极相连，电阻R123另一端接地，电容C109与电阻R123并联，电阻R119一端与二极管V116阴极相连，电阻R119另一端接地，二极管V118阳极及二极管V115阳极相连，电阻R117及电阻R118的一端与二极管V116阴极相连，电阻R117另一端与三极管V107基极相连，电阻R118另一端与三极管V108基极相连，三极管V107及三极管V108发射极均接地，三极管V107及三极管V108的集电极相连，电阻R110一端与三极管V107集电极相连，电阻R110另一端与稳压管V122阳极相连，电阻R111与电阻R110并联。
所述后级限流电路包括延时电路，所述延时电路包括电阻R112、三极管V106、电阻R121、三极管V105、二极管V113、二极管V114、电阻R113*一端、电阻R114*、电容C101*、电容C102*、电阻R113、二极管V132，电阻R112一端与MOS管V126源极相连，电阻R112另一端与三极管V106发射极相连，电阻R116一端与三极管V106发射极相连，电阻R116另一端接地，电阻R129与电阻R116并联，电阻R121一端与三极管V106基极相连，电阻R121另一端与三极管V105基极相连，三极管V106集电极与三极管V105发射极相连，三极管V105集电极与二极管V115阳极相连，二极管V113阳极与三极管V105基极相连，二极管V113阴极与二极管V114阳极相连，电阻R113*一端与电阻R114*一端相连，电阻R113*另一端与MOS管V126源极相连，电阻R114*另一端与二极管V113阴极相连，电容C101*一端与二极管V114阳极相连，电容C101*另一端与MOS管V126源极相连，电容C102*与电容C101*并联，电阻R113一端与三极管V108集电极相连，电阻R113另一端与Vl32的阴极相连。
所述后级限流电路包括二极管V130、二极管V131、二极管V133、二极管V138，二极管V130阴极与MOS管V125漏极相连，并且所述二极管V130阴极与输出端OUT相连，二极管V130阳极与二极管V131阴极相连，二极管V131阳极接地，二极管V138及二极管V133串联、且与二极管V130及二极管V131并联。
在所述后级限流电路中，所述三极管V103及三极管V104的集电极与二极管V132阴极相连，二极管V132阳极与二极管V114阴极相连。
表1为图3引出点定义
| 序号 | 引出点标记 | 引出点定义 |
| 1 | VIN | 母线输入 |
| 2 | OUT | 发火模块输出 |
| 3 | TC-ON1 | 主份开机指令 |
| 4 | TC-ON2 | 备份开机指令 |
| 5 | TM-S | 开关机状态遥测 |
1、在本发明中采用功率MOSFET作为恒流保护开关
火工品起爆恒流发火模块在正常工作时后级限流电路的MOSFET处于线性放大区，发热量较大，应重点考虑功率降额及散热措施，实际应用中采用多个MOSFET并联来降低单只MOSFET的功耗。场效应管选用IR公司的2N7422U，该MOS管为额定电压100V，导通电阻0.08Ω，额定电流22A，瞬态结壳热阻有效值曲线如图11所示。
后级限流电路MOSFET计算：后级MOSFET工作最坏情况是指令关断失效，工作电压45V，环境温度50℃，限流时间300ms，根据图11所示，热阻选0.83.起爆电阻加上线路阻抗最小2Ω，则加在MOSFET上的最大电压为45V-2Ω*7A＝31V，根据式1可计算出MOSFET结温为230.11℃，大于器件所能承受的最大结温150℃，根据式1可知单只MOSFET无法满足正常的工作需求，需采用多只并联的方式解决。
peakTj＝Pdm*Zthjc+Tc＝31V*7A*0.83+50℃＝230.11℃〉150℃ 式1
航天器降额要求MOSFET最大允许工作结温为90℃，因此并联MOSFET个数可由式2确定。根据计算，采用5只MOSFET并联。
n≥(31V*7A*0.83)/(90℃-50℃)＝4.5 式2
而前级限流电路在正常工作时处于饱和导通的工作状态，发热量很小，所以考虑可靠性的基础上采用两只MOSFET并联的方式。
由于MOSFET导通电阻是正温度系数，即MOSFET温度升高时，MOSFET自身阻抗变大，从而使流过的电流变小，发热变小。MOSFET的这种特性使其在并联时，具有自然均流的功能。
2、恒流功能
如图3所示，火工品起爆恒流发火模块的恒流功能主要由后级限流电路来实现。恒流功能的原理是利用采样电阻R101*、R102*、R103*、R104*、R105*上的电压与三极管V101CE饱和电压及V102的BE结电压的关系达到限流的目的。当流过采样电阻上的电压达到V101的BE结电压0.6V时，V1导通，则V1的EC间电压约为0.2V。当流过采样电阻上的电流继续变大，采样电阻电压达到约0.8V时，V101导通，则V102的EB间电压达到约0.6V，使V102进入放大区，从而使MOSFET门源间电压变小，迫使其工作在线性区，利用MOSFET工作在线性区较大的导通电阻Ron来降低流过MOSFET的电流，电流变小后，则采样电阻上的电压变小，从而形成一个负反馈，使电流恒定在一个特定值上，达到恒流的目的。
恒流值的计算公式如式3。
其中Ilimt表示恒流值，Uce表示V101的集射级间的导通电压，Ube表示V102的基射级间的开启电压，Rsense表示采样电阻R101*、R102*、R103*、R104*、R105*的并联值。
3、延时关断功能
延时关断电路的主要作用是当起爆脉冲指令关断失效，出现一直为高电平的指令时，仍能将火工品起爆恒流发火模块进行关断。起爆脉冲指令的最宽脉冲为250ms，因此延时时间设计为大于300ms。
延时关断电路如图3所示，以后级限流电路为例，其主要原理是，接收到火工品起爆指令后，电路开始限流，此时MOS管门源间电压变小，串联稳压管V121、V122、V123、V124开始关断，三极管V103、V104关断，此时电流通过R113*、R114*与C101*、C102*组成的网络，流经V114、V132、R113、V107和V108，形成通路。在此过程中，C101*、C102*通过R113电阻充电，当C101*、C102*两端的电压达到V105、V106、V113的导通压降与R112的分压之和时，V105、V106导通，此时延时关断端会出现一个高电平，送往指令锁存电路使MOSFET关断。
延时关断的时间，在实际电路中需要通过调试R113*、R114*和C101*、C102*的值来确定。由于延时时间与R113*、R114*两端电压有关，而R113*、R114*两端电压会随母线电压变化，因此延时时间也会随母线变化。母线电压越高，延时时间越短；反之，延时时间越长。设计及调试时按母线电压45V的情况，让其延时时间在母线电压45V时大于300ms，这样母线电压在其余值时也能充分满足要求。
4、软启动及软关断功能
火工品起爆恒流发火模块在启动时，由于输出端起爆器电阻很小，在设备启动上电的瞬间，一次母线上会产生较大的浪涌电流，会对一次母线带来较大的危害，而利用MOSFET门源间自身存在的电容充电，使MOSFET门源间电压缓慢建立起来，限制了MOSFET的开关速度，减小负载启动瞬间的浪涌。
5、具有指令开关机及指令锁存功能
火工品起爆恒流发火模块的指令锁存电路前后两级限流电路中各并联了两套，可确保任何一级开路或短路，都不影响整个电路的功能。指令形式为电平指令。如图3所示，在火工品起爆恒流发火模块加开机指令TC-ON2时，给前级限流电路的三极管V7、V8的基极施加一个5V左右电平，使V7、V8饱和导通，前级限流电路电阻R6//R7与R10//R11串联对母线进行分压，R6//R7两端的分压远大于稳压管V21和V22及V23和V24串联10V的稳压值，使V21、V22、V23、V24工作，此时加在MOS管V25及V26门源极电压大约为10V左右，MOS管导通。同理后级限流电路也是如此工作。当TC-ON2为低电平时，前级限流电路的三极管V7、V8截止，稳压管V21和V22及V23和V24停止工作，MOS管V25及V26门源极电压变为0V，MOS管截止。同理后级限流电路关断机理与之相同。
而指令锁存功能用于指令关断失效时，延时关断火工品起爆恒流发火模块，电路采用可控硅的方式实现。当起爆脉冲指令TC-ON2失效，出现一直为高电平的指令时，通过上述的延时电路给V15一个高电平，则R23两端的电压会使V9导通，从而在R22上产生约为5V的电压，从而使V11导通，此时V16的阳极端电压约为0.8V，而且会一直把电压锁存为0.8V。则V7、V8的基极电压约为0.2V，可以保证三极管V7、V8处于截止状态，从而关断MOS管V25、V26。
指令电平在大于3V时电路可正常工作，干扰电平小于1.6V时电路不工作。
6、一路母线电压状态量输出
如图3所示，火工品起爆恒流发火模块在工作时，MOSFET导通，三极管V31导通，在电阻R33、R34上经过分压，在TM-S输出端会产生约4.1V的电压。在火工品起爆恒流发火模块关机或者前级限流电路限流时，TM输出端电压为0V。
火工品起爆恒流发火模块的指标要求及实测结果
1、火工品起爆恒流发火模块的具体指标如下：
2、实测结果
试验针对火工品起爆恒流发火模块的正常状态和异常状态分别进行了实验
A、当前后两级限流电路全部正常工作时，指令100ms时电流波形如图12所示(其中通道1为指令波形，通道2为输出电流波形)。
B、当前后两级限流电路全部正常工作时，指令250ms时输出电流波形如图13所示(其中通道1为指令波形，通道2为输出电流波形)。
C、当前级限流电路的MOS管短路时，不影响后级限流电路工作，火工品起爆恒流发火模块正常工作。波形与图12相同。
D、把后级限流电路的MOS管短接时，前级限流电路会把电流限制在9A，延时30ms后关断，起爆器可正常起爆。测试波形如图14。(其中通道1为输出电流波形，通道2为指令波形)。
E、当指令输入端出错，出现长高电平时，后级限流电路会在限流6.6A延时450ms后，关断MOS管。测试波形如图15。(其中通道1为指令波形，通道2为输出电流波形)。
从实测结果来看，火工品起爆恒流发火模块实际应用过程中性能良好。
本发明的火工品起爆恒流发火模块选用固态开关MOSFET作为恒流保护开关用于替代以往航天器火工品中的发火电路，可根据指令进行恒流工作，并且具有指令容错功能，无需调试和更换限流电阻，可多路起爆装置共用一个发火模块，是一种可恢复的、重复使用的发火电路产品，因此具有操作简单，生产、调试时间短，可靠性高等优点。它的作用与传统的继电器与限流电阻串联的联合体相似，但在性能及功能上有很大的优势：它能快速接通和断开电路而不产生电弧，因而空间性能好，特别适合于航天及航空应用；它内部没有活动部件，因此不产生机械磨损，震动时不产生误动作，故障率低，可靠性高；具有短路及误触发情况下的可恢复功能。
如图2所示，多路起爆通路可共用一个火工品起爆恒流发火模块，若两路同时起爆时需用两个火工品起爆恒流发火模块。采用基于恒流限流定时关断的火工品起爆恒流发火电路则可以使问题简化，图2是基于这样的考虑设计出的火工品起爆装置。
图2中起爆开关仍然采用MOS管，但是由于火工品起爆恒流发火模块具有限流关断功能，因此起爆回路上避免了使用限流电阻，如果发生火工品桥丝发生起爆后搭壳短路的现象，火工品起爆恒流发火模块可自动关断，对母线进行保护，后续可以通过断开相应起爆回路上的磁保持继电器开关来将短路的桥丝切除，让后续的起爆指令能安全执行，该方法可以简化电缆网设计，缩短设备研制周期。
考虑到火工品起爆恒流发火模块的可靠性及安全性极高的要求，在电路功能实现时不使用集成电路，全部使用电阻、电容、二极管、三极管等分立器件来完成。同时对电路进行了冗余设计，确保在工作过程中不会导致火工品母线短路，保证整个电路可靠性。
火工品起爆恒流发火模块中设计有两级限流电路，其中前级限流电路针对过流截止保护特性设计，电路限流值为9A，延时时间小于50ms；后级限流电路针对正常工作设计，电路限流值为6A，延时时间大于300ms。正常工作时，前级限流电路相当于导通开关，延时电路不起作用。后级限流电路起限流作用，随脉冲指令的时间进行限流工作，由于此时延时时间大于指令时间，延时电路不起作用。异常状态时，若前级MOS管短路，不影响后级电路，火工品起爆恒流发火模块可正常工作；若后级MOS管短路，前级保护电路会把电流限制在约9A，延时约50ms后关断，起爆器可正常起爆。
火工品起爆恒流发火模块中还设计有延时电路，当指令关断失效，出现长高电平时，后级电路会在限流6A到达延时设定时间后，关断MOS管。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种火工品起爆恒流发火模块，包括前级限流电路、后级限流电路，其特征在于：所述前级限流电路包括限流电路、驱动及功率电路，所述限流电路包括电阻R1*、电阻R2*、R3*、R4*、R5*、R6*、三极管V1、电阻R4、三极管V2、电阻R5，电阻R1*一端与母线输入VIN相连，电阻R1*另一端与MOS管V26源极相连，电阻R2*、R3*、R4*、R5*、R6*与R1*并联，三极管V1发射极与母线输入VIN相连，三极管V1基极与电阻R4一端相连，三极管V1集电极极与三极管V2发射极相连，电阻R4另一端与MOS管V26源极相连，三极管V2基极与电阻R5一端相连，三极管V2集电极与稳压管V22阳极相连，电阻R5另一端与MOS管V26源极相连；所述驱动及功率电路包括电阻R6、MOS管V26、稳压管V22、电阻R8、电阻R9、三极管V3、三极管V4、稳压管V21、稳压管V24、稳压管V23、电阻R31、电阻R30、MOS管V25，电阻R6一端与MOS管V26源极相连，电阻R6另一端与稳压管V22阳极相连，电阻R7与电阻R6并联，电阻R8及电阻R9的一端与MOS管V26源极相连，电阻R8另一端与三极管V3基极相连，电阻R9另一端与三极管V4基极相连，三极管V3及三极管V4的发射极与MOS管V26源极相连，三极管V3集电极及三极管V4集电极与延时电路相连，稳压管V21阴极与三极管V3基极相连，稳压管V21阳极与稳压管V22阴极相连，稳压管V22阳极与稳压管V24阳极相连，稳压管V24阴极与稳压管V23阳极相连，稳压管V23阴极与三极管V4基极相连，电阻R31及电阻R30的一端与稳压管V24阳极相连，电阻R31另一端与MOS管V26门极相连，电阻R30另一端与MOS管V25门极相连，MOS管V26漏极与MOS管V25漏极相连，MOS管V25源极与稳压管V24源极相连，MOS管V25及MOS管V26的漏极输出接后级限流电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：所述前级限流电路包括指令锁存电路、电阻R18、三极管V7、三极管V8、电阻R10、电阻R11，所述指令锁存电路包括电阻R25、二极管V19、电容C6、电阻R26、三极管V12、三极管V10、电阻R27、二极管V18、电阻R28、电阻R24、二极管V16、电容C5、电阻R22、三极管V11、三极管V9、电阻R23、二极管V15、电容C9、电阻R19、二极管V16、二极管V18、二极管V15、电阻R17，电阻R25一端与指令接口输入端TC-ON1相连，电阻R25另一端与二极管V19阳极相连，电容C6一端与二极管V19阳极相连，电容C6另一端接地，电阻R26一端与二极管V19阳极相连，电阻R26另一端与三极管V12基极相连，三极管V12发射极与二极管V19阳极相连，三极管V12集电极与三极管V10基极相连，三极管V10集电极与三极管V12基极相连，三极管V10发射极接地，电阻R27一端与二极管V18阴极相连，电阻R27另一端接地，电容C10与电阻R27并联，电阻R28一端与二极管V19阴极相连，电阻R28另一端接地，电阻R24一端与指令接口输入端TC-ON2相连，电阻R24另一端与二极管V16阳极相连，电容C5一端与二极管V16阳极相连，电容C5另一端接地，电阻R22一端与二极管V16阳极相连，电阻R22另一端与三极管V11基极相连，三极管V11发射极与V16阳极相连，三极管V11集电极与三极管V9基极相连，三极管V9集电极与三极管V11基极相连，三极管V9发射极接地，电阻R23一端与二极管V15阴极相连，电阻R23另一端接地，电容C9与电阻R23并联，电阻R19一端与二极管V16阴极相连，电阻R19另一端接地，二极管V18阳极及二极管V15阳极相连，电阻R17及电阻R18的一端与二极管V16阴极相连，电阻R17另一端与三极管V7基极相连，电阻R18另一端与三极管V8基极相连，三极管V7及三极管V8发射极均接地，三极管V7及三极管V8的集电极相连，电阻R10一端与三极管V7集电极相连，电阻R10另一端与稳压管V22阳极相连，电阻R11与电阻R10并联。
3.根据权利要求2所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：前级限流电路包括电阻R16、电阻R29，所述延时电路包括电阻R12、三极管V6、电阻R21、二极管V13、二极管V14、电阻R13*、电阻R14*、电容C1*、电阻R13、二极管V32，电阻R12一端与MOS管V26源极相连，电阻R12另一端与三极管V6发射极相连，电阻R16与三极管V6发射极相连，电阻R16另一端接地，电阻R29与电阻R16并联，电阻R21一端与三极管V6基极相连，电阻R21另一端与三极管V5基极相连，三极管V6集电极与三极管V5发射极相连，三极管V5集电极与二极管V15阳极相连，二极管V13阳极与三极管V5基极相连，二极管V13阴极与二极管V14阳极相连，电阻R13*一端与电阻R14*一端相连，电阻R13*另一端与MOS管V26源极相连，电阻R14*另一端与二极管V13阴极相连，电容C1*一端与二极管V14阳极相连，电容C1*另一端与MOS管V26源极相连，电容C2*与电容C1*并联，电阻R13一端与三极管V8集电极相连，电阻R13另一端与二极管V32阴极相连。
4.根据权利要求3所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：所述驱动及功率电路包括电阻R32、稳压管V29、稳压管V30，电阻R32一端与MOS管V26源极相连，电阻R32另一端与三极管V31基极相连，三极管V31发射极与MOS管V26源极相连，三极管V31集电极与电阻R34一端相连，电阻R34另一端与开关机状态遥测输出端TM-S相连，电阻R33一端与开关机状态遥测输出端TM-S相连，电阻R33另一端接地，稳压管V29阴极与三极管V31基极相连，稳压管V29阳极与稳压管V30阴极相连，稳压管V30阳极与稳压管V24阳极相连。
5.根据权利要求3所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：所述三极管V3集电极及三极管V4集电极分别与所述二极管V32阴极相连，二极V32阳极与二极管V14阴极相连。
6.根据权利要求1至5任一项所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：所述后级限流电路包括限流电路、驱动及功率电路，所述限流电路包括电阻R101*、电阻R102*、R103*、R104*、R105*、三极管V101、电阻R104、三极管V102，电阻R101*一端与母线输入VIN相连，电阻R101*另一端与MOS管V126源极相连，电阻R102*、电阻R103*、电阻R104*、电阻R105*与电阻R101*并联，三极管V101发射极与MOS管V26的漏极相连，三极管V101基极与电阻R104一端相连，三极管V101集电极极与三极管V102发射极相连，电阻R104另一端与MOS管V126源极相连，三极管V102基极与电阻R105一端相连，三极管V102集电极与稳压管V122阳极相连，电阻R105另一端与MOS管V126源极相连，电阻R106一端与MOS管V126源极相连，电阻R106另一端与稳压管V122阳极相连；所述驱动及功率电路包括电阻R107、电阻R108、电阻R109、三极管V103、三极管V104、稳压管V121、稳压管V122、稳压管V124、稳压管V123、电阻R130、电阻R131、电阻R132、电阻R133、电阻R134、MOS管V125、MOS管V127，电阻R107与电阻R106并联，电阻R108及电阻R109的一端与MOS管V126源极相连，电阻R108另一端与三极管V103基极相连，电阻R109另一端与三极管V104基极相连，三极管V103及三极管V104的发射极与MOS管V126源极相连，三极管V103及三极管V104的集电极与延时电路相连，稳压管V121阴极与三极管V103基极相连，稳压管V121阳极与稳压管V122阴极相连，稳压管V122阳极与稳压管V124阳极相连，稳压管V124阴极与稳压管V123阳极相连，稳压管V123阴极与三极管V104基极相连，电阻R130、电阻R131、电阻R132、电阻R133、电阻R134的一端与稳压管V124阳极相连，电阻R131另一端与MOS管V126门极相连，电阻R130另一端与MOS管V125门极相连，电阻R132另一端与MOS管V127门极相连，电阻R133另一端与MOS管V128门极相连，电阻R134另一端与MOS管V129门极相连，MOS管V126漏极、MOS管V125漏极、MOS管V127漏极、MOS管V128漏极、MOS管V129漏极相连，MOS管V126源极、MOS管V125源极、MOS管V127源极、MOS管V128源极、MOS管V129源极相连。
7.根据权利要求6所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：所述后级限流电路包括指令锁存电路，所述指令锁存电路包括电阻R125、二极管V119、电容C106、电阻R126、三极管V110、电阻R127、二极管V118、电容C110、电阻R128、电阻R124、二极管V116、电容C105、电阻R122、三极管V111、三极管V109、电阻R123、二极管V115、电容C109、电阻R119、电阻R117，电阻R125一端与指令接口输入端TC-ON1相连，电阻R125另一端与二极管V119阳极相连，电容C106一端与二极管V119阳极相连，电容C106另一端接地，电阻R126一端与二极管V119阳极相连，电阻R126另一端与三极管V112基极相连，三极管V112发射极与二极管V119阳极相连，三极管V112集电极与三极管V110基极相连，三极管V110集电极与三极管V112基极相连，三极管V110发射极接地，电阻R127一端与二极管V118阴极相连，电阻R127另一端接地，电容C110与电阻R127并联，电阻R128一端与二极管V119阴极相连，电阻R128另一端接地，电阻R124一端与指令接口输入端TC-ON2相连，电阻R124另一端与二极管V116阳极相连，电容C105一端与二极管V116阳极相连，电容C105另一端接地，电阻R122一端与二极管V116阳极相连，电阻R122另一端与三极管V111基极相连，三极管V111发射极与二极管V119阳极相连，三极管V111集电极与三极管V109基极相连，三极管V109集电极与三极管V111基极相连，三极管V109发射极接地，电阻R123一端与二极管V115阴极相连，电阻R123另一端接地，电容C109与电阻R123并联，电阻R119一端与二极管V116阴极相连，电阻R119另一端接地，二极管V118阳极及二极管V115阳极相连，电阻R117及电阻R118的一端与二极管V116阴极相连，电阻R117另一端与三极管V107基极相连，电阻R118另一端与三极管V108基极相连，三极管V107及三极管V108发射极均接地，三极管V107及三极管V108的集电极相连，电阻R110一端与三极管V107集电极相连，电阻R110另一端与稳压管V122阳极相连，电阻R111与电阻R110并联。
8.根据权利要求7所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：所述后级限流电路包括延时电路，所述延时电路包括电阻R112、三极管V106、电阻R121、三极管V105、二极管V113、二极管V114、电阻R113*一端、电阻R114*、电容C101*、电容C102*、电阻R113、二极管V132，电阻R112一端与MOS管V126源极相连，电阻R112另一端与三极管V106发射极相连，电阻R116一端与三极管V106发射极相连，电阻R116另一端接地，电阻R129与电阻R116并联，电阻R121一端与三极管V106基极相连，电阻R121另一端与三极管V105基极相连，三极管V106集电极与三极管V105发射极相连，三极管V105集电极与二极管V115阳极相连，二极管V113阳极与三极管V105基极相连，二极管V113阴极与二极管V114阳极相连，电阻R113*一端与电阻R114*一端相连，电阻R113*另一端与MOS管V126源极相连，电阻R114*另一端与二极管V113阴极相连，电容C101*一端与二极管V114阳极相连，电容C101*另一端与MOS管V126源极相连，电容C102*与电容C101*并联，电阻R113一端与三极管V108集电极相连，电阻R113另一端与Vl32的阴极相连。
9.根据权利要求8所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：所述后级限流电路包括二极管V130、二极管V131、二极管V133、二极管V138，二极管V130阴极与MOS管V125漏极相连，并且所述二极管V130阴极与输出端OUT相连，二极管V130阳极与二极管V131阴极相连，二极管V131阳极接地，二极管V138及二极管V133串联、且与二极管V130及二极管V131并联。
10.根据权利要求8所述的火工品起爆恒流发火模块，其特征在于：在所述后级限流电路中，所述三极管V103及三极管V104的集电极与二极管V132阴极相连，二极管V132阳极与二极管V114阴极相连。
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