CN112797857A - 一种高压模拟数字集成芯片电路 - Google Patents

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Abstract

一种高压模拟数字集成芯片电路，包括：高压模拟数字集成芯片，等离子点火具；高压模拟数字集成芯片包括模拟高压稳压通信电路、MCU微处理电路和高压开关电路，所述等离子点火具连接有高压开关电路以用于控制等离子点火具的开启关闭；所述模拟高压稳压通信电路连接有所述MCU微处理电路，用以将调制电压信号转换为逻辑通信信号并发送给所述MCU微处理电路；所述MCU微处理电路连接有所述高压开关电路，用以控制所述高压开关电路输出高电压触发信号；所述高电压触发信号使储存在高电压电中的电能在所述等离子点火具放电产生等离子冲击波用以来引爆雷管。本发明可以通过等离子冲击波来引爆雷管中的猛炸药，雷管是无起爆药装药结构的雷管。

Description

一种高压模拟数字集成芯片电路
技术领域
本发明涉及高能等离子点火具无起爆药数码电子雷管中的集成电路领域，具体而言，涉及一种高压模拟数字集成芯片电路。
背景技术
现有国内外工业数码电子雷管中采用的是低电压模拟电路与8位MCU数字电路集成芯片电路的供电电压≤25V。所以现有国内外工业数码电子雷管中低电压模拟电路与8位MCU数字电路集成的芯片电路，只能在低电压≤25V给电子雷管中储能电容器充电，低电压电容器充电的电能在电热丝型电点火头或半导体桥SCB中放电，点燃包裹在电热丝或半导体桥SCB上易燃的火药燃烧，再由燃烧的火焰点燃起爆药(LTNR、PbN6、DDNP、NHN)转爆轰，即“燃烧转爆轰”的工作机理。因此，国内外现有的数码电子雷管中低电压模拟数字电路集成的芯片只能应用在“燃烧转爆轰”机理的有起爆药电子雷管中，无法应用在“等离子冲击波转爆轰”机理的高能等离子点火具无起爆药数码电子雷管中。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压模拟数字集成芯片电路，该高压模拟数字集成芯片电路应用于等离子点火具无起爆药引爆猛炸药的雷管过程中，避免了雷管装药结构中有感度极高的起爆药所带来的不安全性的弊端。通过将低电压模拟电路改进为模拟高电压稳压通信电路，使得高压模拟数字集成芯片可以在输入电压为高电压的情况下正常工作。为了配合高压输入电压，该高压模拟数字集成芯片电路的高压输出端可以外接高压电容器来存储电量，并通过控制外接的高压开关电路闭合时，使高压电容器的电能在等离子点火具中瞬时放电产生等离子冲击波，使等离子冲击波直接引爆雷管中的猛炸药形成爆轰。本发明的高压模拟数字集成芯片与等离子点火具配合的方式是本发明保护的重点。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供一种高压模拟数字集成芯片电路，包括：高压模拟数字集成芯片，等离子点火具；高压模拟数字集成芯片包括模拟高压稳压通信电路、MCU微处理电路和高压开关电路，所述等离子点火具连接有高压开关电路以用于控制等离子点火具的开启关闭；
所述模拟高压稳压通信电路连接有所述MCU微处理电路，用以将调制电压信号转换为逻辑通信信号并发送给所述MCU微处理电路；
所述MCU微处理电路连接有所述高压开关电路，用以控制所述高压开关电路输出高电压触发信号；
所述高电压触发信号使储存在高压电容中的电能在所述等离子点火具放电产生等离子冲击波用以来引爆雷管。
现有技术中，低电压模拟电路与MCU数字电路集成的芯片只能应用在“燃烧转爆轰”机理的有起爆药装药结构的电子雷管中，无法应用在“等离子冲击波转爆轰”机理的等离子点火具无起爆药的电子雷管中。现有电子雷管中电压模拟电路的供电电压≤25V，储能电容的充电电压≤25V，因此低电压电容提供的电能只能够在电热丝型电点火头或半导体桥中放电，点燃包裹在电热丝或半导体桥上易燃的火药，火药燃烧的火焰再点燃起爆药形成燃烧转爆轰。由于现有雷管装药结构中有感度极高的起爆药，使得有起爆药装药结构的雷管再生产、运输、储存、使用过程中存在安全性低，容易产生爆炸事故。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高压模拟数字集成芯片电路，该高压模拟数字集成芯片电路通过将低压模拟数字集成芯片改进为高压模拟数字集成芯片，将低压模拟电路改进为模拟高电压稳压通信电路，使得高压模拟数字集成芯片可以在输入电压为高电压的情况下正常工作。该高压模拟数字集成芯片电路的高压输出端能给高压电容器进行充电，高压模拟数字集成芯片电路的输出控制端可以控制高压开关管的通断。当高压开关管闭合导通时，高压电容器储存的电能再等离子点火具中瞬时放电，产生等离子冲击波，等离子冲击波引爆雷管中的猛炸药。本发明不需要在雷管中加入起爆药，只需要通过高压模拟数字集成芯片控制高压电容充电，以及控制高压开关电路闭合导通时，高压电容器储存的电量在等离子点火具中瞬间放电，产生等离子冲击波，等离子冲击波引爆雷管中的猛炸药。。
优选的，所述集成芯片电路上设置有3号针脚和5号针脚，所述模拟高压稳压通信电路的供电电源接口和对外通信接口连接所述3号针脚和所述5号针脚，所述3号针脚和所述5号针脚之间的输入电压Vab为15V≤Vab≤200V；
所述输入电压Vab为15≤Vab＜45时，所述模拟高压稳压通信电路主要起到供电和通信作用；所述输入电压Vab为45≤Vab≤200时，所述模拟高压稳压通信电路主要起到供电和充电作用。现有技术中采用的是低电压模拟电路与MCU数字电路集成的芯片，起爆器供给低电压模拟电路与MCU数字电路集成芯片的电压都≤45V，因此低电压模拟电路与MCU数字电路自称芯片智能由低电压给电容充电。低电压充电的电能只能在电热丝型电点火头或半导体桥放电，点燃包裹在电热丝易燃火药燃烧或激发半导体桥使起爆药转爆轰，无法达到等离子转爆轰。
本发明中起爆器的供给电压既是3号针脚和所述5号针脚之间的输入电压Vab为15V≤Vab≤200V。可以给高电压电容在高电压时进行充电，高电压电容存储的电能可以在等离子点火具上瞬时放电产生冲击波，等离子冲击波转爆轰，引爆雷管。输入电压Vab为15≤Vab＜45时，数码起爆器给数码电子雷管中的高压数字模拟集成芯片电路供电和数字通信，输入电压Vab为45≤Vab≤200时，数码起爆器给数码电子雷管内的高压模拟数字集成芯片电路供电并且给高压电容充电。
优选的，所述MCU微处理电路包括：异步通信收发器UART，所述异步通信收发器UART上设置有RXD端口和TXD端口用以与所述模拟高压稳压通信电路进行数据收发。模拟高压稳压通信电路将供电电压转换为逻辑信号通过MCU微处理电路上的RXD端口被MCU微处理电路接受，MCU微处理电路将逻辑信号通过TXD端口发送回给模拟高压稳压通信电路。
优选的，所述MCU微处理电路包括：高电平输出控制端口用以控制所述高压开关电路的打开与闭合。
优选的，所述高压开关电路通过12号针脚连接有高压电容，所述高电压电容用以存储电荷并在高压开关电路闭合时向11号针脚输出高电压触发信号。
优选的，所述11号针脚连接有所述等离子点火具，用以将电能转换为等离子冲击波从而引爆雷管。
优选的，所述等离子点火具包括：平面电极，所述平面电极的凸起电隙之间有一微米级铜金属桥箔线和两个所述平面电极上引出的导线焊盘。
优选的，所述MCU微处理电路为8位、16位或32位MCU微处理电路。
另外，本发明还提供了一种设备，该设备包括上述的高压模拟数字集成芯片电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明不需要再雷管中加入起爆药，只需要通过高压模拟数字集成芯片电路，控制高压电容器充电和控制高压开关电路，使高压电容器里的电量瞬间在等离子点火具中放电，产生等离子冲击波，等离子冲击波引爆雷管中猛炸药形成爆轰。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例高压模拟数字集成芯片电路的芯片内部原理框图；
图2是本发明实施例高压模拟数字集成芯片电路的芯片内部原理图；
图3是本发明实施例高压模拟数字集成芯片触发引爆无起爆药电子雷管发火电路框图；
图4是本发明实施例的芯片封装形式图。
其中：
100-模拟高压稳压通信电路；200-MCU微处理电路；
300-高压开关电路；DHJ-等离子点火具。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
实施例
参阅图1-4所示，本发明实施例提供的一种高压模拟数字集成芯片电路，其中包括模拟高压稳压通信电路100、8位MCU微处理电路200、高压开关电路300和等离子点火具DHJ。
本发明实施例的高压模拟数字集成芯片电路采用TSSOP-16封装形式，模拟高压稳压通信电路100的供电电源接口和对外通信接口连接芯片的3号针脚和5号针脚，3号针脚和5号针脚连接两线制雷管脚线,模拟高压稳压通信电路采用的是电压调制Vf和电流调制If信号，由3号针脚和5号针脚输入和输出。芯片的3号针脚和5号针脚接口之间的输入电压在15V≤Vab≤200V之间。
芯片的1号针脚为高电压输出端HVout，该高电压≤200V。稳压输出低电压由芯片的15号针脚输出，电压为2.5V-5.0V，并作为8位MCU微处理器的电源VDD。芯片的7号针脚是模拟和数字电路共用接地端GND。
8位MCU微处理电路200是采用低功耗的8位MCU微处理器，并通过芯片8号、9号、10号针脚引出三个输入输出控制I/O端口。
高压开关电路300是采用场效应管组成的高压控制电路，芯片的13号针脚是高电压≤200V的输入端HVin，芯片的12号针脚是外接高压电容器正极端，芯片的11号针脚是高电压触发信号输出端MG。芯片的2号、4号、6号、14号针脚是悬空端NC。
模拟高压稳压通信电路100通过3号针脚和5号针脚与数码起爆器相连，数码起爆器供给模拟高压稳压通信电路100的电压在15V≤Vab≤200V之间。当数码起爆器的供给的输入电压Vab为15V≤Vab≤45V时，是模拟高压稳压通信电路100的工作电压和通信调制电压；输入电压Vab为45V＜Vab≤200V时，是模拟高压稳压通信电路100的工作电压和储能电容器的充电电压。
模拟高压稳压通信电路100的3号针脚和5号针脚有输入Vf调制电压信号，经模拟高压稳压通信电路100转换成逻辑通信信号被8位MCU微处理电路200的RXD端口接收，8位MCU微处理电路200的TXD端口发出的逻辑通信信号经模拟高压稳压通信电路100转换成If调制电流信号由3号针脚和5号针脚输出。
高压模拟数字集成芯片的Va、Vb端通过两线制雷管脚线连接数码起爆器，高压模拟数字集成芯片的MG端驱动高压开关管NMOS2导通，使高压电容器Cg存储的电能在等离子点火具DHJ中瞬时放电产生等离子冲击波，等离子点火具DHJ中瞬时放电产生的等离子冲击波用以来引爆雷管中猛炸药。所述雷管装药结构中不需要装填起爆药。
本实施例中MCU微处理电路200采用低功耗CMOS工艺，有4K以上的Word FLASH程序存储器，256Word Data FLASH数据存储器，1KByte SRAM数据存储器，支持IAP操作，支持在线编程(ISP)接口，支持在线调试(ICD)功能，支持编程代码加密保护，有异步通信收发器UART功能，内部有大于100KHz的RC振荡时钟源，以及有多种复位、中断、计数、定时功能和多个输入输出I/O端口。
8位MCU微处理电路200中的RXD、TXD是异步通信收发器UART端口，VDD是8位MCU微处理电路200的电源正极端，GND是8位MCU微处理电路200的电源负极端。I/O-1、I/O-2、I/O-3对应连接芯片的8号、9号、10号针脚的3个I/O端口。I/O-4、I/O-5、I/O-6分别是三个高电平输出控制端口。
8位MCU微处理电路200通过I/O-4、I/O-5、I/O-6三个高电平输出控制端口与高压开关电路300相连。
高压开关电路300通过12号针脚连接有高压电容，高压电容用以存储电能，高压开关电路300的11号针脚输出高电压触发信号。11号针脚连接高压开关管NMOS2的栅极，当高压开关电路300的11号针脚输出高电压触发信号，高压开关管NMOS2闭合导通，高压电容存储电能在等离子点火具DHJ中放电，形成等离子冲击波引爆雷管中的猛炸药。
参阅图2所示，为本实施例高压模拟数字集成芯片电路的芯片内部电路原理图。首先，模拟高压稳压通信电路100由二极管电桥Z1、高压场效应管NM1、三极管T1-T5、稳压二极管W1、二极管D1-D2、电阻R1-R7所组成。
二极管电桥Z1的Va端连接芯片的3号针脚，Vb端连接芯片的5号针脚，V+端连接芯片的1号针脚HVout，V-端连接芯片的7号针脚GND。
小功率场效应管NM1的D电极和S极之间的Vds耐压≥200V，所述三极管T1-T5为小功率开关管，所述二极管D2为反向耐压≥200V的小功率二极管，所述稳压二极管W1为低功耗稳压2V-3V的稳压二极管。
模拟高压稳压通信电路100的输入电压Vab为15V≤Vab≤200V。输入电压通过芯片的3号针脚和5号针脚经由二极管电桥Va端和Vb端输入进模拟高压稳压通信电路100。模拟高压稳压通信电路100通过设置二极管电桥Z1的V+端、高压场效应管NM1、电阻R1、电阻T2、三极管T1、稳压二极管W1、二级管D1来组成稳压电路，稳压范围为3.0V-5.0V的电压并作为芯片15号针脚VDD输出，VDD电压同时作为8位MCU微处理电路200的电源。
模拟高压稳压通信电路100通过设置三极管T2-T5、二极管D2、电阻R3-R9组成通信电路，当起爆器供电线路连接芯片3号和5号针脚的供电电压Vab有调制电压信号Vf时，调制电压信号Vf经二极管电桥Z1的V+端，经二极管D2、三极管T4和T5、电阻R5-R7组成的调制电压信号Vf转换成逻辑通信信号，被8位MCU微处理电路200的RXD端口所接受。当8位MCU微处理电路200的TXD发出逻辑通信信号时，TXD发出的逻辑通信信号经电阻R8-R9、三极管T3-T2、电阻R3-R4组成的逻辑通信信号转换成调制电流If信号，经二极管电桥Z1由芯片3号和5号脚输出给供电线路回路的起爆器进行通信。
高压开关电路300是由三极管T6-T8、P型MOSFET管PM1、P型MOSFET管PM2、二极管D3、电阻R10-R23所组成。
P型MOSFET管PM1、PM2的S极和D极之间的耐压Vsd≥200V，三极管T6-T8的集电极和发射极之间的耐压Vce≥200V。
8位MCU微处理电路200中I/O-4输出控制端口为高电平时，高电平经电阻R14、R18分压输入三极管T7的基极，使三极管T7集电极和发射极导通，此时电阻R17吸收芯片12号针脚连接的高电压电容的电流。8位MCU微处理电路200中I/O-5输出控制端口为高电平时，高电平经电阻R13、R15分压输入三极管T6的基极，使三极管T6集电极和发射极导通，促使由电阻R10、R11、R16、P型MOSFET管PM1、二极管D3组成的开关电路中的P型MOSFET管PM1导通，此时芯片13号针脚接入的高电压HVin经电阻R10、P型MOSFET管PM1的源极S和漏极D、二极管D3给芯片12号脚连接的高电压电容充电。8位MCU微处理电路200中I/O-6输出控制端口为高电平时，高电平经电阻R12、R19分压输入三极管T8的基极，使三极管T8集电极和发射极导通，促使由电阻R20-R23、P型MOSFET管PM2组成的开关电路中的P型MOSFET管PM2的源极S和漏极D导通，此时芯片11号针脚MG输出高电压触发信号。
本实施例中的三极管T2和三极管T5，可以采用小功率的MOS管，P型MOSFET管PM1、PM2，可以采用耐高压PNP型三极管，三极管T6-T8可以采用小功率耐高压的N型MOSFET管。
参阅图3，为本发明实施例高压模拟数字集成芯片电路的原理图，高压模拟数字集成芯片电路Va、Vb端连接数码起爆器的两线制雷管脚线，是一种高压≤200V,低压≥15V的跳变式两线制通信脚线。
当11号针脚MG输出高电压触发信号驱动NMOS2开关管导通，使高压电容器充电的电能瞬时在等离子点火具DHJ中放电产生等离子冲击波，等离子冲击波爆轰引爆雷管中的猛炸药从而引爆雷管。
本实施例中高压模拟数字集成芯片采用TSSOP-16封装形式，但是也可以采用其它封装形式，并根据封装工艺要求重新定义其芯片脚排序及功能。
结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，包括：高压模拟数字集成芯片，等离子点火具；高压模拟数字集成芯片包括模拟高压稳压通信电路、MCU微处理电路和高压开关电路，所述等离子点火具连接有高压开关电路以用于控制等离子点火具的开启关闭；
所述模拟高压稳压通信电路连接有所述MCU微处理电路，用以将调制电压信号转换为逻辑通信信号并发送给所述MCU微处理电路；
所述MCU微处理电路连接有所述高压开关电路，用以控制所述高压开关电路输出高电压触发信号；
所述高电压触发信号使储存在高压电容中的电能在所述等离子点火具放电产生等离子冲击波用以来引爆雷管。
2.根据权利要求1所述的高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，所述集成芯片电路上设置有3号针脚和5号针脚，所述模拟高压稳压通信电路的供电电源接口和对外通信接口连接所述3号针脚和所述5号针脚，所述3号针脚和所述5号针脚之间的输入电压Vab为15V≤Vab≤200V；
所述输入电压Vab为15≤Vab＜45时，所述模拟高压稳压通信电路主要起到供电和通信作用；所述输入电压Vab为45≤Vab≤200时，所述模拟高压稳压通信电路主要起到供电和充电作用。
3.根据权利要求1所述的高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，所述MCU微处理电路包括：异步通信收发器UART，所述异步通信收发器UART上设置有RXD端口和TXD端口用以与所述模拟高压稳压通信电路进行数据收发。
4.根据权利要求1所述的高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，所述MCU微处理电路包括：高电平输出控制端口用以控制所述高压开关电路的打开与闭合。
5.根据权利要求1所述的高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，所述高压开关电路通过12号针脚连接有所述高压电容，所述高压电容用以存储电荷并在高压开关电路闭合时向11号针脚输出高电压触发信号。
6.根据权利要求5所述的高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，所述11号针脚连接有所述等离子点火具，用以将电能转换为等离子冲击波从而引爆雷管。
7.根据权利要求6所述的高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，所述等离子点火具包括：平面电极，所述平面电极的凸起电隙之间有一微米级铜金属桥箔线和两个所述平面电极上引出的导线焊盘。
8.根据权利要求1所述的高压模拟数字集成芯片电路，其特征在于，所述MCU微处理电路为8位、16位或32位MCU微处理电路。
9.一种设备，包括权利要求1-8任一项所述的高压模拟数字集成芯片电路。
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