CN115235304A - 电子雷管芯片的发火开关实现方法、系统、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电子雷管芯片的发火开关实现方法、系统、介质及设备，包括：步骤1：在电子雷管芯片上电后进行复位，进入正常通信模式，等待接收指令；步骤2：通过起爆器对电子雷管芯片进行在线点名、起爆密码验证、延期时间设置、高压电容充电及状态确认，在确认无误后发送起爆命令给电子雷管芯片；步骤3：在电子雷管芯片接收到起爆命令后，从正常通信模式切换到延期模式，并启动延期计数器，开始倒计时计数；步骤4：计时器倒计数到零后，输出点火控制信号引爆药头；步骤5：在电子雷管引爆药头后延时2ms后进行复位，重新进入正常通信模式。本发明保证了常规通信组网下的最低功耗，也避免了LDO输出频繁切换引发的电路可靠性问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子雷管芯片技术领域，具体地，涉及一种电子雷管芯片的发火开关实现方法、系统、介质及设备。
背景技术
电子雷管芯片应用于爆破行业，电子雷管模块是在芯片外围增加了相关的电路之后的功能模块，在雷管模块上通常采用MOS管来作为发火控制元件，而MOS管的栅极控制信号由电子雷管芯片直接输出控制。在电子雷管模块实际应用中，经常出现一些误爆，产生很大的安全隐患。而引起误爆的原因有多方面的，比如爆破现场的电磁干扰、控制MOS管栅极的发火信号异常、MOS管虚焊等。
将发火用的MOS开关集成在电子雷管芯片内部，可有效地减少PCB板上MOS管焊接或者控制信号异常等带来的问题。另一方面，数码电子雷管相对于传统的工业雷管，因为电子雷管芯片及芯片外围周边的一些器件成本相对比较高，虽然其爆破的性能和效果逐渐被广泛接受，但是不少雷管厂客户仍然沿用相对便宜的工业雷管，所以进一步降低电子雷管芯片的成本也是非常重要的，而将MOS管集成在芯片内部也有助于降低雷管成本。
专利文献CN111595212A(申请号：CN202010384396.X)公开了一种电子雷管的通信解调电路、电子雷管芯片、电子雷管系统，该通信解调电路包括：第二场效应管、第三场效应管、阻性元件、整流器、数字信号输出单元；所述第二场效应管的第二栅极与所述第三场效应管的第三栅极耦接；所述第二场效应管的第二漏极、第二栅极共同耦接于第一电缆线；所述第二场效应管的第二源极与所述第三场效应管的第三源极共同接地；所述第三场效应管的第三漏极与所述阻性元件的第一端耦接于第一电耦接点；所述阻性元件的第二端与电源VDD耦接；所述第一电耦接点耦接所述数字信号输出单元。
目前市场上的数码电子雷管芯片集成度普遍较低，有需要外加MOS管作为发火开关的；也有集成了发火开关，但是采用模拟芯片、数字芯片单独流片，然后采用多芯片合封的，虽然外表看是单芯片，但实际芯片和封装费用都不低；也有采用模数混合高压工艺设计出主控芯片，再与发火开关进行合封的，同样的封装的成本高，良率也会较低。真正实现完全单一工艺单芯片的方案还比较少见。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电子雷管芯片的发火开关实现方法、系统、介质及设备。
根据本发明提供的电子雷管芯片的发火开关实现方法，包括：
步骤1：在电子雷管芯片上电后进行复位，复位完成后电子雷管芯片进入正常通信模式，等待接收指令；
步骤2：通过起爆器对电子雷管芯片进行在线点名、起爆密码验证、延期时间设置、高压电容充电及状态确认，在确认无误后发送起爆命令给电子雷管芯片；
步骤3：在电子雷管芯片接收到起爆命令后，从正常通信模式切换到延期模式，并启动延期计数器，开始倒计时计数；
步骤4：计时器倒计数到零后，输出点火控制信号引爆药头；
步骤5：在电子雷管引爆药头后延时2ms后进行复位，重新进入正常通信模式。
优选的，在电子雷管芯片进入正常通信模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO工作在低压模式，电压为3V。
优选的，在电子雷管芯片切换到延期模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO自动切换到高压模式，电压为4.8V。
优选的，在电子雷管应用中，LDNMOS功率管在导通时工作在线性区，其导通电阻计算如下：
其中，un为载流子的迁移率；Cox为单位面积的栅氧化层电容；VGS-VTH为过驱动电压；L为功率管的沟道长度；W为功率管的宽度。
根据本发明提供的电子雷管芯片的发火开关实现系统，包括：
模块M1：在电子雷管芯片上电后进行复位，复位完成后电子雷管芯片进入正常通信模式，等待接收指令；
模块M2：通过起爆器对电子雷管芯片进行在线点名、起爆密码验证、延期时间设置、高压电容充电及状态确认，在确认无误后发送起爆命令给电子雷管芯片；
模块M3：在电子雷管芯片接收到起爆命令后，从正常通信模式切换到延期模式，并启动延期计数器，开始倒计时计数；
模块M4：计时器倒计数到零后，输出点火控制信号引爆药头；
模块M5：在电子雷管引爆药头后延时2ms后进行复位，重新进入正常通信模式。
优选的，在电子雷管芯片进入正常通信模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO工作在低压模式，电压为3V。
优选的，在电子雷管芯片切换到延期模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO自动切换到高压模式，电压为4.8V。
优选的，在电子雷管应用中，LDNMOS功率管在导通时工作在线性区，其导通电阻计算如下：
其中，un为载流子的迁移率；Cox为单位面积的栅氧化层电容；VGS-VTH为过驱动电压；L为功率管的沟道长度；W为功率管的宽度。
根据本发明提供的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
根据本发明提供的电子雷管芯片的发火开关实现设备，包括：控制器；
所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的电子雷管芯片的发火开关实现方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的电子雷管芯片的发火开关实现系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.相于其他采用独立LDO或者电荷泵电路来给功率管栅极电压升压的做法，采用单LDO方案可以使电路最小化，只需要在传统的LDO基础上增加一个MOS旁路开关并根据配置信息来选择输出电压的功能，额外增加的电路开销基本可忽略不计；
2.充分利用电子雷管正常通信和延期两种工作模式的特性，只有在雷管芯片进入最后延期倒计时之后才进行切换，既保证了常规通信组网下的最低功耗，也避免了LDO输出频繁切换引发的电路可靠性问题；
3.因为延期模式下只有延期计数器少部分数字电路在工作，即使工作电压略高，对应的工作电流增加的很小，可以控制在5uA以下，对电子雷管的延期时间基本没有影响；
4.采用更高电压驱动功率管栅极，在同等电路面积下获得更好的性能，4.8V的驱动电压相比3V驱动，导通电阻下降接近一半，可以极大提升发火可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为电子雷管组网示意图；
图2为电子雷管芯片内部结构示意图；
图3为电子雷管的两种工作模式示意图；
图4为LDO的基本电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明公开了一种适用于电子雷管芯片的发火开关实现方法，该方法中涉及的电子雷管芯片内部实现了发火开关，本发明中采用模数混合高压的单一工艺，在单个芯片里面集成了MOS功率管作为发火开关。该发火开关采用180BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)高压工艺的40V LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)横向扩散金属氧化物半导体管，并且利用电子雷管具备不同工作模式的特性，通过切换低压差线性稳压器LDO的输出电压，在正常模式下工作在低压，以获得最低的功耗，只在进入延期之后才切换到较高的电压，从而提高了功率管的过驱动电压，也就相应地降低了功率管的低导通电阻，确保电子雷管能可靠发火。同时因为延期模式下只有延期计数器少部分数字电路在工作，即使工作电压略高，对应的工作电流增加的很小，可以控制在5uA以下，对电子雷管的延期时间基本没有影响。
电子雷管组网示意图，如图1和图2，包括：
起爆器：完成对电子雷管模块的起爆控制。
电子雷管模块：由电子雷管芯片、限流电阻R1、R2、TVS管/ESD管、滤波电容C1、通信电容C2、发火电阻R、储能电容C组成，受起爆器控制完成药头引爆。
滤波电容C1：用于给电子雷管芯片内部电源模块滤波的电容。所述滤波电容C1与电子雷管芯片连接。
通信电容C2：用于在电子雷管芯片在起爆器读取电子雷管芯片数据时候，给芯片补电的电容。所述通信电容C2与电子雷管芯片连接。
储能电容C：用于在电子雷管芯片进入延期之后给芯片供电，并在起爆时提供能量加热发火电阻。所述储能电容C与电子雷管芯片连接。
发火电阻R：一般采用桥丝电阻或贴片金属电阻，用于发火，点燃药头。一般为几欧姆。所述发火电阻R连接电子雷管芯片和储能电容C。
限流电阻R1/R2：用于限制总线上电流，R取值一般小于2K欧姆。所述起爆器通过A、B总线连接限流电阻R1、R2后与电子雷管芯片连接。
TVS管/ESD管：瞬态高压抑制管(Transient Voltage Suppressors)/静电释放管(Electro-Static discharge)，都可以用于抑制静电信号或高频干扰信号，根据实际应用场景选择合适的器件使用，在本发明中都采用36V双向TVS管或双向ESD管，以适应A、B总线无极性和模块最高工作电压32V的特性。所述TVS管/ESD管并联在A、B总线与限流电阻R1、R2之间。
整流桥：图中四个二极管D1～D4(实际电路可以是二极管、也可以是MOS管接成二极管用)既用作将A、B交流电源整流成直流电源VDD/GND，同时D1、D2也作为管脚A的ESD泄放保护管，D3、D4也作为管脚B的ESD泄放保护管。
可调节低压差线性稳压器(LDO)：实现高压电源到低压电源的转换。输出的低压主要用作数字电源，供振荡器、数字逻辑电路、通信电路和EEPROM用，通过发火控制管控制也作为发火开关功率管栅极的驱动电压。
基准电压电路：产生上电复位电路及可编程低压线性稳压器需要的一些基准电压REF1、REF2、REF3，分别用于LDO、上电复位电路。
充放电电路：包含限流电阻和充、放电管，实现对储能电容的充放电管理。
振荡器电路：为数字逻辑电路提供稳定的时钟CLK，时钟频率通常在100K以上。
POR上电复位电路：电子雷管芯片上电之后产生的全芯片复位信号POR的电路，POR信号有效电平为低电平。
数字逻辑电路：完成电子雷管芯片对外通信和芯片内部状态转换、延期控制的逻辑电路。
EEPROM：带电可擦可编程只读存储器，用于储存雷管的用户识别码UID、起爆密码、延期值及其他用户配置信息。
通信电路：实现将二总线信号写入数据转完成雷管芯片内部数字逻辑信号，及当二总线从雷管芯片读数据时实现A、B短接提供反馈电流。
发火控制管：由数字逻辑电路控制，当FIRE为高时，发火控制管导通，LDO输出电压输出给发火开关功率管栅极，进一步打开功率管。
功率管：采用LDMOS(laterally-diffused metal-oxide semiconductor)横向扩散金属氧化物半导体实现的发火开关MOS管，当栅极控制信号FIRE有效时，打开MOS管，储能电容上能量释放出来，加热发火电阻，从而引爆点火电阻上的药头。
储能电容：用于在电子雷管芯片进入延期之后给芯片供电，并在起爆时提供能量加热发火电阻。
发火电阻：一般采用桥丝电阻或贴片金属电阻，用于发火，点燃药头。
下拉电阻：用于默认将功率管栅极下拉，控制功率管关闭的下拉电阻，一般为几M欧姆。
所述数字逻辑电路分别与振荡器电路、通信电路、上电复位电路、充放电电路、带电可擦可编程只读存储器、功率管和下拉电阻连接；所述整流桥、低压线性稳压器、基准电压电路依次连接；所述上电复位电路还与低压线性稳压器和基准电压电路连接；所述整流桥与充放电电路连接。
系统工作原理
步骤1：电子雷管芯片上电之后会自动完成复位，复位完成之后芯片进入正常通信模式，等待接收指令。此时芯片内部的LDO工作在低压模式，典型值3V左右。
步骤2：起爆器对电子雷管芯片进行在线点名、起爆密码验证、延期时间设置、高压电容充电及状态确认无误之后，会发送起爆命令给雷管芯片。
步骤3：电子雷管芯片接收到起爆命令之后，就从正常通信模式切换到延期模式，同时内部的LDO自动切换到高压模式，典型值在4.8V左右。
步骤4：电子雷管芯片进入延期模式之后，启动延期计数器，开始倒计时计数。
步骤5：计时器倒计数到零之后，输出点火控制信号引爆药头。
步骤6：电子雷管引爆药头后延时约2ms之后会进行复位，重新进入正常通信模式。此时LDO输出电容再次自动调整到低压模式。
电子雷管的两种工作模式，如图3，包括正常通信模式和延期模式，首先，芯片上电复位，进入正常通信模式；然后，接收到起爆命令，进入延期模式；接着，延期计数结束，打开发火开关引爆之后约2ms芯片进行复位，再回到正常通信模式。
LDO的基本电路，如图4。
上电默认情况下，处于通信模式，LDO_CFG＝0，PMOS2管闭合，R2被旁路，VOUT根据以下式子计算：
当进入延期模式之后，LDO_CFG＝1，PMOS管断开，VOUT根据下式进行计算：
具体实施例：R1＝3.6Mohm，R2＝3.6Mohm，R3＝2.4Mohm
通信模式下，LDO_CFG＝0，VOUT＝1.2*(1+3.6/2.4)＝3V
延期模式下，LDO_CFG＝1，VOUT＝1.2*(1+(3.6+3.6)/2.4)＝4.8V
电子雷管应用中，LDNMOS功率管在导通时工作在线性区，其导通电阻计算如下：
其中，un为载流子的迁移率、Cox为单位面积的栅氧化层电容、VGS-VTH一般称作为过驱动电压，从上式可以看出，一旦工艺选定，un、Cox都是确定的，功率管的导通电阻只与管子的宽长比(W/L)和过驱动电压VGS-VTH有关。
理论上功率管在设计时总有一个最小的沟道长度(L)，通过增加宽度(W)，可以增加宽长比，来减小导通电阻，但是也会使得功率管的面积(W*L)同比增加，受芯片成本所限，无法简单通过增加功率管的宽度来获取更低的导通电阻。
但是通过增加过驱动电压VGS-VTH，即提高功率管的栅极电压，可以得到更低的导通电阻。
通常
相同尺寸的功率管，栅极采用4.8V相比于3V约可以将导通电阻减小近一半：(3-0.7)/(4.8-0.7)～＝0.56。同时因为MOS管的栅极耐压有限，通常在5～6V，所以选取4.8V来驱动功率管是比较合适的。
根据本发明提供的电子雷管芯片的发火开关实现系统，包括：模块M1：在电子雷管芯片上电后进行复位，复位完成后电子雷管芯片进入正常通信模式，等待接收指令；模块M2：通过起爆器对电子雷管芯片进行在线点名、起爆密码验证、延期时间设置、高压电容充电及状态确认，在确认无误后发送起爆命令给电子雷管芯片；模块M3：在电子雷管芯片接收到起爆命令后，从正常通信模式切换到延期模式，并启动延期计数器，开始倒计时计数；模块M4：计时器倒计数到零后，输出点火控制信号引爆药头；模块M5：在电子雷管引爆药头后延时2ms后进行复位，重新进入正常通信模式。
在电子雷管芯片进入正常通信模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO工作在低压模式，电压为3V。在电子雷管芯片切换到延期模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO自动切换到高压模式，电压为4.8V。
在电子雷管应用中，LDNMOS功率管在导通时工作在线性区，其导通电阻计算如下：
其中，un为载流子的迁移率；Cox为单位面积的栅氧化层电容；VGS-VTH为过驱动电压；L为功率管的沟道长度；W为功率管的宽度。
根据本发明提供的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
根据本发明提供的电子雷管芯片的发火开关实现设备，包括：控制器；所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的电子雷管芯片的发火开关实现方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的电子雷管芯片的发火开关实现系统。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种电子雷管芯片的发火开关实现方法，其特征在于，包括：
步骤1：在电子雷管芯片上电后进行复位，复位完成后电子雷管芯片进入正常通信模式，等待接收指令；
步骤2：通过起爆器对电子雷管芯片进行在线点名、起爆密码验证、延期时间设置、高压电容充电及状态确认，在确认无误后发送起爆命令给电子雷管芯片；
步骤3：在电子雷管芯片接收到起爆命令后，从正常通信模式切换到延期模式，并启动延期计数器，开始倒计时计数；
步骤4：计时器倒计数到零后，输出点火控制信号引爆药头；
步骤5：在电子雷管引爆药头后延时2ms后进行复位，重新进入正常通信模式。
2.根据权利要求1所述的电子雷管芯片的发火开关实现方法，其特征在于，在电子雷管芯片进入正常通信模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO工作在低压模式，电压为3V。
3.根据权利要求1所述的电子雷管芯片的发火开关实现方法，其特征在于，在电子雷管芯片切换到延期模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO自动切换到高压模式，电压为4.8V。
4.根据权利要求1所述的电子雷管芯片的发火开关实现方法，其特征在于，在电子雷管应用中，LDNMOS功率管在导通时工作在线性区，其导通电阻计算如下：
其中，un为载流子的迁移率；Cox为单位面积的栅氧化层电容；VGS-VTH为过驱动电压；L为功率管的沟道长度；W为功率管的宽度。
5.一种电子雷管芯片的发火开关实现系统，其特征在于，包括：
模块M1：在电子雷管芯片上电后进行复位，复位完成后电子雷管芯片进入正常通信模式，等待接收指令；
模块M2：通过起爆器对电子雷管芯片进行在线点名、起爆密码验证、延期时间设置、高压电容充电及状态确认，在确认无误后发送起爆命令给电子雷管芯片；
模块M3：在电子雷管芯片接收到起爆命令后，从正常通信模式切换到延期模式，并启动延期计数器，开始倒计时计数；
模块M4：计时器倒计数到零后，输出点火控制信号引爆药头；
模块M5：在电子雷管引爆药头后延时2ms后进行复位，重新进入正常通信模式。
6.根据权利要求5所述的电子雷管芯片的发火开关实现系统，其特征在于，在电子雷管芯片进入正常通信模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO工作在低压模式，电压为3V。
7.根据权利要求5所述的电子雷管芯片的发火开关实现系统，其特征在于，在电子雷管芯片切换到延期模式后，电子雷管芯片内部的可调节低压差线性稳压器LDO自动切换到高压模式，电压为4.8V。
8.根据权利要求5所述的电子雷管芯片的发火开关实现系统，其特征在于，在电子雷管应用中，LDNMOS功率管在导通时工作在线性区，其导通电阻计算如下：
其中，un为载流子的迁移率；Cox为单位面积的栅氧化层电容；VGS-VTH为过驱动电压；L为功率管的沟道长度；W为功率管的宽度。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
10.一种电子雷管芯片的发火开关实现设备，其特征在于，包括：控制器；
所述控制器包括权利要求9所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的电子雷管芯片的发火开关实现方法的步骤；或者，所述控制器包括权利要求5至8中任一项所述的电子雷管芯片的发火开关实现系统。
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