幾種典型電路防潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則

嚴(yán)殿啟 孟鵬飛

北京航天自動控制研究所，北京 100854

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幾種典型電路防潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則

嚴(yán)殿啟 孟鵬飛

北京航天自動控制研究所，北京 100854

潛在電路對產(chǎn)品的可靠性影響很大，減少潛在電路設(shè)計(jì)可以提高電路設(shè)計(jì)的可靠性。結(jié)合電路示例，提出了彈(箭)控制系統(tǒng)幾種典型電路減少潛在電路設(shè)計(jì)的13條規(guī)則。從潛在通路的預(yù)防和潛在定時的預(yù)防2個方面探討了避免潛在電路的設(shè)計(jì)方法，具體內(nèi)容涉及測試接口電路要避免使用雙向電路，時序電路要避免同時接通，在指示電路和控制電路中要避免使用“地側(cè)開關(guān)”，供斷電電路要保證驅(qū)動電源后通先斷、控制電源要保證先通后斷，滅弧保護(hù)電路要避免使用電容器等。針對每條設(shè)計(jì)規(guī)則的示例表明規(guī)則是有效的，可支持電路的可靠性設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 控制電路； 潛在電路； 設(shè)計(jì)規(guī)則

建立減少潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則是設(shè)計(jì)人員所期望的，本文通過大量的示例，針對彈(箭)控制系統(tǒng)中典型的測試電路、時序相關(guān)電路、指示電路、供斷電電路和滅弧保護(hù)電路等，詳細(xì)介紹了防潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則。

1 潛在定時(ST)的預(yù)防

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)則

(1)規(guī)則1

系統(tǒng)加電順序應(yīng)遵循控制電源母線(小功率信號電路供電)先加電，待復(fù)位穩(wěn)定后再接通驅(qū)動電源母線(各種功放及執(zhí)行電路供電)，而斷電順序則相反。否則，當(dāng)信號電路在加、斷電過程中產(chǎn)生輸出時，可能使執(zhí)行電路誤動作，引起事故或系統(tǒng)初、終態(tài)錯誤。

(2)規(guī)則2

采用繼電器、壓力開關(guān)等力學(xué)元件的控制電路，特別是“多線或”(并聯(lián)冗余)電路，所有觸點(diǎn)在環(huán)境條件下的瞬間閉合時間，要充分小于受控繼電器在環(huán)境條件下的最小吸合時間。否則，在環(huán)境條件下的瞬間閉合可能引起ST輸出。

(3)規(guī)則3

各時序指令的接通狀態(tài)，盡可能沒有重疊的時間段。這樣，有利于減少ST狀態(tài)。

(4)規(guī)則4

復(fù)位信號饋線通過系統(tǒng)運(yùn)行過程中要分離的插頭時，應(yīng)將各級復(fù)位信號分開。否則，當(dāng)負(fù)線所在的分離插頭先分離，正線所在的插頭后分離時，在二者時差內(nèi)，容易引入ST。

(5)規(guī)則5

不同系統(tǒng)間有條件的順序操作控制應(yīng)采用“握手+定時”式的邏輯控制方式。否則，容易引入ST。

(6)規(guī)則6

當(dāng)控制順序不能改變，而又必須定時與非定時混合控制時，必須對混合部分的時間偏差做“最壞情況分析”，以避免發(fā)生能夠?qū)е赂淖兛刂祈樞虻腟T。

(7) 規(guī)則7

用繼電器執(zhí)行的時序指令的實(shí)際時序必須考慮包括繼電器動作時間在內(nèi)的所有相關(guān)的電路延時，保證在最壞情況下也能滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 示例

(1)規(guī)則1示例

某單元測試電路如圖1所示。加電時先接通S，后接通K(步進(jìn)電機(jī)供電)，斷電時先斷K而后斷S。實(shí)際操作順序相反，在通斷電過程中由于輸出ST脈沖而K尚未斷開發(fā)生誤動作，引起系統(tǒng)初、終態(tài)錯誤。步進(jìn)電機(jī)按A→AB→B→BC→C→CA六拍運(yùn)行：系統(tǒng)初態(tài)鎖定于A拍，當(dāng)ST產(chǎn)生于B相時，則A→AB向前運(yùn)動一拍；當(dāng)ST產(chǎn)生于C相時，則A→CA向后退一拍，均會離開初態(tài)位置。這是人為因素(操作者依據(jù)自己的理解，沒有按規(guī)定的順序操作)引起潛在電路的典型情況。如果沒有K開關(guān)，由S一起通斷電，易造成通電時步進(jìn)電機(jī)錯位。

圖1 某單元測試電路網(wǎng)絡(luò)樹

(2)規(guī)則2示例

如圖2所示的控制電路，預(yù)令Kdy接通，K1.2吸合，其轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)將電爆管由短路保護(hù)狀態(tài)轉(zhuǎn)為允許由Kd1點(diǎn)火狀態(tài)。點(diǎn)火后當(dāng)壓力達(dá)到要求時，壓力開關(guān)Cyk1和Cyk2閉合，與指令Kdh2構(gòu)成三線或電路，使K20.21吸合，K20.21常開觸點(diǎn)使K22.23吸合且自保，其常閉觸點(diǎn)使K1.2釋放，電爆管與指令Kd1斷開，恢復(fù)短路保護(hù)狀態(tài)，以防止點(diǎn)火后電爆管的“短路”電流消耗電源和燒壞電纜網(wǎng)。

如果壓力開關(guān)由于沖擊引起的瞬態(tài)閉合時間大于繼電器K20.21的實(shí)際吸合時間值，則使K20.21吸合。這樣，在發(fā)出Kd1指令之前，電爆管已經(jīng)由于K1.2釋放，從允許點(diǎn)火狀態(tài)又轉(zhuǎn)為短路保護(hù)狀態(tài)，導(dǎo)致Kd1功能被抑制。

圖2 某控制電路網(wǎng)絡(luò)森林示意圖

(3)規(guī)則3示例

某控制電路如圖3所示，設(shè)計(jì)的飛行狀態(tài)是：由分爆點(diǎn)火指令Zt作為地側(cè)開關(guān)，將火工品負(fù)母線-H接到K7線圈負(fù)端，使K7吸合并自保于B4。設(shè)Zt和ZTF兩個時序指令觸點(diǎn)接通狀態(tài)的重疊時間段為Δt。在測試狀態(tài)下用火工品供電繼電器Zf不吸合控制K7不吸合，在Δt時段存在+B3→K7線圈→Zt觸點(diǎn)→--H節(jié)點(diǎn)→常閉觸點(diǎn)Zf→+H節(jié)點(diǎn)→ZTF觸點(diǎn)→Ldf線圈→GB的ST。這個ST可以使K7或Ldf誤吸合。

圖3 某控制電路網(wǎng)絡(luò)樹示意圖

(4)規(guī)則4示例

圖4所示的某復(fù)位接口電路，V22，V32反向并接于接口電路2，3發(fā)光二極管上的防反二極管。用一個按扭開關(guān)和一條饋線對各級時序裝置同時復(fù)位。安裝于三級火箭的+28V電源通過分離插頭Xf1向二級時序裝置等效負(fù)載電阻Rh2供電，而28V地G28V通過分離插頭Xf3與Rh2連接。如果Xf3先分開，到Xf1分開的時差內(nèi)，分離插頭存在+28V→Xf1→Rh2→V22→R2→Xf1→R3→V31→G28V構(gòu)成的ST通路。由于光電耦合器激勵電流潛在危害閾值很小，由這個ST通路引起的潛在電流足以使三級時序裝置誤復(fù)位。

圖4 某復(fù)位接口電路網(wǎng)絡(luò)樹

(5)規(guī)則5示例

1)實(shí)例1

圖5所示的某點(diǎn)火電路，若發(fā)射時XB插頭較XC插頭早脫開Δt,則在Δt內(nèi)存在2條ST路徑。第1條：+B→點(diǎn)火指示觸點(diǎn)Zdh→XC→點(diǎn)火指示燈ZD→應(yīng)急指示繼電器阻尼二極管V和線圈Kyj(并聯(lián))→XC→關(guān)機(jī)線圈Lgj→GB。當(dāng)潛在電流達(dá)到關(guān)機(jī)線圈的吸合電流時，會導(dǎo)致火箭誤關(guān)機(jī)的事故；第2條：+M→應(yīng)急關(guān)機(jī)開關(guān)Syj→XC→Lgj→GB節(jié)點(diǎn)→XB(斷開)→GM，這是一條期望的路徑。但在Δt時段，XB已斷開，應(yīng)急關(guān)機(jī)功能被抑制。

如果采用“點(diǎn)火好”信號握手控制斷開應(yīng)急關(guān)機(jī)電路，而將XB插頭脫開時間充分延長的方式，就不會發(fā)生上述ST。

圖5 某點(diǎn)火電路網(wǎng)絡(luò)樹

2)實(shí)例2

某系統(tǒng)功能執(zhí)行條件中有 Tpz超上限。Tpz和PZ指令是由外系統(tǒng)控制的。功能執(zhí)行電爆管SZ的點(diǎn)火信號要通過PZ指令控制的分離插頭XF，如圖6所示。如果在功能執(zhí)行過程中外系統(tǒng)發(fā)出PZ指令，XF分離，SZ電爆管點(diǎn)火電路將被斷開，從而抑制了點(diǎn)火功能，即抑制了期望功能。如果系統(tǒng)在確認(rèn)Tpz超限后給外系統(tǒng)發(fā)1個“禁止發(fā)PZ指令”的握手信號，那么此ST就可避免。

圖6 某點(diǎn)火控制電路網(wǎng)絡(luò)樹

(6)規(guī)則6示例

1)實(shí)例1

如果圖5采用起飛距離和定時混合控制的方式：點(diǎn)火和應(yīng)急關(guān)機(jī)均為定時控制，通過XC傳遞。而GM和GB的連接由XB實(shí)現(xiàn)。XB和XC的斷開用起飛行程開關(guān)控制。在最壞情況下必須保證控制XC 斷開的行程開關(guān)的行程時間小于最壞情況下的應(yīng)急關(guān)機(jī)時間最小值?？刂芚B斷開的行程開關(guān)的行程時間要大于或等于控制XC 斷開的行程開關(guān)的行程時間。這樣“點(diǎn)火好”指示電流通過指示燈后就可以通過XB回到GB。而應(yīng)急關(guān)機(jī)電流也可以通過關(guān)機(jī)線圈后再通過XB回到GM，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)期望。

2)實(shí)例2

若有效載荷分離時間由運(yùn)載火箭的關(guān)機(jī)時間(Tg+t)浮動控制，有效載荷解鎖時間Tj為定時控制，且在收到分離信號后立即重新復(fù)位，開始運(yùn)行后續(xù)程序。在最壞情況下，必須滿足Tj<(Tg+t)，否則存在改變控制順序的ST，即有效載荷將在發(fā)出解鎖指令前復(fù)位，開始運(yùn)行后續(xù)程序。在復(fù)位時清除解鎖指令定時數(shù)據(jù)，從而抑制了解鎖功能，導(dǎo)致有效載荷控制功能喪失。

(7)規(guī)則7示例

某系統(tǒng)時序控制電源母線供電(+T)和火工品驅(qū)動電源母線的供電(+H)是同時控制的。設(shè)計(jì)意圖是：控制+T用小功率繼電器，其吸合時間較快(<10ms)，而控制+H用大功率繼電器，其吸合時間較慢(<20ms)，這樣，雖然在一般情況下“符合”要求的加電順序，但由于繼電器的動作時間參數(shù)散度較大，且大功率繼電器吸合時間小于10ms也符合指標(biāo)規(guī)定。在這種情況下加電順序就不符合規(guī)則。而斷電則由同一個時序指令控制，在原理上，+T斷電后約10ms+H才斷電，斷電順序違背了規(guī)則的要求。如果在這10ms之內(nèi)，時序控制電路產(chǎn)生了過渡過程通常存在的ST輸出，則可能誤引爆火工品。

2 潛在通路(SP)的預(yù)防

2.1 設(shè)計(jì)規(guī)則

(1)規(guī)則1

“線或”供電電路“斷電”的分支不要設(shè)置在每個“或”分支上，要盡可能設(shè)置在相加點(diǎn)之后。否則，可能存在抑制“斷電”功能或產(chǎn)生意外“供電”功能的SP。

(2)規(guī)則2

盡可能不用不帶電常閉觸點(diǎn)做不同分系統(tǒng)之間的狀態(tài)指示或連鎖信號(標(biāo)志)。否則，在外系統(tǒng)通電運(yùn)行而本系統(tǒng)斷電狀態(tài)下，存在誤發(fā)指示或標(biāo)志信號的SP。

(3)規(guī)則3

使用場效應(yīng)管作開關(guān)元件時，其供電斷路器應(yīng)并接(50～100)KΩ電阻。

(4)規(guī)則4

輸入、輸出接口電路應(yīng)盡量避免使用“雙向電路”。

(5)規(guī)則5

多用戶的公共信號源到各用戶之間，或多個信號線或控制一個用戶時，都要加隔離二極管，以消除各信號源到用戶之間的雙向通路，以減少各用戶之間的SP或ST。

(6)規(guī)則6

對控制感性負(fù)載的觸點(diǎn)或開關(guān)管的保護(hù)(滅弧)，不宜采用并電容或阻容串聯(lián)電路，應(yīng)盡可能采用在感性負(fù)載上并電阻串二極管的方式。

2.2 示例

(1)規(guī)則1示例

某系統(tǒng)+T11和+TD電源的轉(zhuǎn)(供)電電路的網(wǎng)絡(luò)樹如圖7所示。箭上+T11和地面+TD對箭上用電負(fù)載KH形成了“線或”供電電路。由于箭上供電和地面供電均有手動和自動狀態(tài)，且手動和自動之間沒有連鎖控制，相互獨(dú)立操作運(yùn)行。在緊急斷電操作或其他特殊情況下切斷箭上供電時，如果地面供電是接通的(Kgd接通)，則箭上負(fù)載仍然是供電狀態(tài)，抑制了斷電功能。

如果將斷電觸點(diǎn)KD移到相加點(diǎn)之下(圖7中虛線所示)，則可消除此潛在電路。

圖7 供、轉(zhuǎn)、斷電路網(wǎng)絡(luò)樹

(2)規(guī)則2示例

因?yàn)椴粠щ姵ｉ]觸點(diǎn)的指示或標(biāo)志的自然屬性具有二義性，即所在系統(tǒng)不加電、繼電器不工作兩種含義。就是說，不帶電常閉觸點(diǎn)本身就是SI或SL。只能在一種屬性為“非”的連鎖控制的前提下，另一種屬性才具有唯一性，才能作為指示或標(biāo)志。例如，某系統(tǒng)用繼電器K的常閉觸點(diǎn)作為指示觸點(diǎn)，且定義觸點(diǎn)接通時表示“準(zhǔn)備好”送給相關(guān)系統(tǒng)。如圖8所示，系統(tǒng)中的“準(zhǔn)備好”開關(guān)Szb初態(tài)常閉，上電接通K，使常閉點(diǎn)斷開?！皽?zhǔn)備好”時，合上Szb(常閉點(diǎn)斷開)，使K釋放，常閉點(diǎn)接通，給出“準(zhǔn)備好”指示信號。

當(dāng)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)，而相關(guān)系統(tǒng)為上電工作狀態(tài)，K也是釋放狀態(tài)，常閉點(diǎn)也是接通的，但指示的是另一種屬性，即：“所在系統(tǒng)不上電工作”，但相關(guān)系統(tǒng)的識別電路只取一種屬性 “準(zhǔn)備好”，于是產(chǎn)生了錯誤。

如果相關(guān)系統(tǒng)上電時，通過二極管連鎖控制Szb/2加電(如圖8中虛線所示)，從而使K吸合(所在系統(tǒng)不上電工作為“非”)，問題可以解決，但不是好方案。

圖8 指示電路網(wǎng)絡(luò)森林

(3)規(guī)則3示例

因?yàn)閳鲂?yīng)管源漏極間結(jié)電容Csd較大且散布度高，在給源極S供電瞬間可能形成SP，干擾測試工作甚至造成受控器件誤動作。在供、斷電開關(guān)K上并接(50～100)KΩ電阻，只要電源有電就會對結(jié)電容慢慢充電直到充滿。這樣，在上電瞬間就不會形成SP，如圖9所示。

圖9 場效應(yīng)管開關(guān)電路的供電

(4)規(guī)則4示例

雙向電路就是正、反向電阻差別很小、電流能正、反向流過的電路。它是引起SP或ST的重要因素之一。如圖4中V22，V32防反二極管與光電耦合器發(fā)光二極管并聯(lián)使用使電路變成雙向電路。否則，雖然Xf3先于Xf1分開，也不會形成ST。再如圖10所示，他測和自測接口電路，GM2和GB2相互隔離，由于V6和V8的存在，接口變?yōu)殡p向電路。

圖10 某接口電路網(wǎng)絡(luò)樹

+B2供電測試時，當(dāng)K1接通時，存在+B2→K1→TB1→R1→V5→GM2節(jié)點(diǎn)→V8→R5→TB2→R7→R8→V3→GB2的SP，如箭頭所示。可使自測接口收到K1信號，而他測接口收到假“K2”信號。

當(dāng)K2接通時，又通過完全類似的SP：+B2→K2→TB2→R5→V7→GM2節(jié)點(diǎn)→V6→R1→TB1→R3→R4→V1→B2，而使自測接口收到K2信號，他測接口收到假“K1”信號。

如果將防反二極管和發(fā)光二極管串聯(lián)使用，仍然可以達(dá)到防反目的，卻消除了雙向電路，也防止了潛在電路。

(5)規(guī)則5示例

如圖4的復(fù)位信號，如果在每個時序裝置的輸入端都加上隔離二極管，在Xf3，Xf1分離的時差內(nèi)，就不會有SP。

(6)規(guī)則6示例

作為滅弧用，電容必須較大，電容或阻容串聯(lián)電路本身就是一個瞬時電流路徑。如圖3中ZTF觸點(diǎn)上并聯(lián)的阻容串聯(lián)滅弧電路，使得在測試狀態(tài)下，存在+B3→K7線圈→Zt觸點(diǎn)→-H節(jié)點(diǎn)→串聯(lián)常閉觸點(diǎn)Zf→+H節(jié)點(diǎn)→R→C→Ldf線圈→GB的SP。這個SP也可使K7誤吸合，并有使分離插頭誤分離的可能。如果在Ldf處引出測量點(diǎn)，還可能測到假ZTF接通信號。

在使用狀態(tài)下，仍然存在由RC滅弧電路形成的SP。它使得當(dāng)接通+H母線時，沿+H→R→C→Ldf→B流過的潛在電流也有使分離插頭誤分離的可能，并測到假ZTF接通信號。

3 結(jié)束語

航天器具有高可靠性、高安全性的要求，需盡量避免潛在電路的存在，這就要求各級設(shè)計(jì)人員、電總體負(fù)責(zé)人員對潛在電路的特點(diǎn)和危害有深刻的認(rèn)識。一個復(fù)雜電子電氣系統(tǒng)，要消除潛在電路，不僅需要在設(shè)計(jì)完成后應(yīng)用潛在分析技術(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，更需要在設(shè)計(jì)過程中盡量避免引入潛在電路。本文針對彈(箭)控制系統(tǒng)中典型的測試接口電路、時序電路、指示電路、供斷電電路、滅弧保護(hù)電路等，提出了13條避免潛在電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，為電路的可靠性設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 嚴(yán)殿啟.潛通路分析技術(shù)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2000,(1)：43-47.(YanDianqi.SneakPassageAnalysisTechnology[J].MissilesandSpacevehicles,2000,(1):43-47)

[2]JamesL,Vogas,SneakAnalysisofApplicalionSpecificIntegratedCircuits[C]. 1992AerospaceDesignConterenceFebruary3-6 ,1992.

[3]JeffM.SneakCircuitAnalysisfortheCommonMan,ADA21575[R].FortBelvoir:DTIC, 1989.

Design Rules to Avoid Sneak Circuit with Regard to Several Typical Circuit

Yan Dianqi ， Meng Pengfei

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Sneakcircuithasgreatinfluenceonthereliabilityoftheproductandsneakcircuitreductioncanimprovethereliabilityofcircuitdesign.Thethirteendesignrulestoavoidsneakcircuitwithexamplesinconnectionwithseveraltypicalcircuitofcontrolsystemareproposedinthispaper.Twoaspectstoavoidsneakcircuitarediscussed,includingthepreventionofsneakpathandsneaktiming.Thecontentsareinvolvedinavoidingusingbidirectionalcircuitintestinterfacecircuit,avoidingsimultaneousconnectioninsequentialcircuit,avoidingusingthe“groundswitch”intheindicatingcircuitandcontrolcircuit,ensuringdrivingpowersupplywith“thenconnect,firstdisconnect”behaviourandcontrolpowersupplywith“firstconnect,thendisconnect”behaviourinpowersupplycircuit,avoidingusingcapacitorinarcquenchingprotectioncircuitetc.Theexampleforeachdesignruleindicatesthattheruleiseffectivetosupportcircuitreliabilitydesign.

Controlcircuit;Sneakcircuit;Designrules

2013-09-11

嚴(yán)殿啟(1935-)，男，吉林伊通人，研究員，主要研究方向?yàn)闈撏贩治黾夹g(shù)及其應(yīng)用；孟鵬飛(1982-)，男，河南商丘人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榭煽啃?、環(huán)境適應(yīng)性測試性等通用質(zhì)量特性技術(shù)。

V448.15

A

1006-3242(2016)04-0095-06