火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)電磁閥電流隔離式測(cè)量電路

凌思睿，丁博深

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭、衛(wèi)星等各類航天器的動(dòng)力來源。在地面試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)工藝系統(tǒng)的大量電磁閥進(jìn)行控制和狀態(tài)記錄，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此，電磁閥電流參數(shù)的獲取至關(guān)重要。一方面，電磁閥通電時(shí)的電流大小是閥門工作狀態(tài)的判斷依據(jù)；另一方面，電磁閥開啟和關(guān)斷時(shí)的電流曲線用于計(jì)算閥門響應(yīng)特性參數(shù)[1-2]。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位對(duì)電磁閥電流測(cè)量系統(tǒng)的常見性能要求為：靜態(tài)精度優(yōu)于0.5～1%，-3 dB帶寬不小于10～20 kHz。

在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，傳統(tǒng)的電流測(cè)量方法是在電磁閥回路中串聯(lián)一個(gè)0.5 Ω以下的高功率水泥電阻或鋁殼電阻并測(cè)量其兩端電壓差[3-4]，但此種方法存在如下問題：①采樣電阻本身精度只有1%，溫度系數(shù)高達(dá)100～300 ppm/℃。電阻上耗散功率導(dǎo)致的溫漂加上后端電路約±0.1%的誤差，精度不能滿足要求；②采樣電阻位于電源高側(cè)時(shí)，其共模電壓可高達(dá)30 V以上，超出了大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入電壓范圍，必須使用獨(dú)立的信號(hào)隔離模塊把負(fù)載回路隔離，帶來高昂的成本；③電阻位于低側(cè)時(shí)，無法檢測(cè)出電源正端的對(duì)地故障，而且負(fù)載電流在地線上產(chǎn)生的干擾電壓會(huì)耦合進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)。此外，還可以利用霍爾電流傳感器進(jìn)行測(cè)量[5-6]，但其測(cè)量精度較低，一般只能用在要求不高的試驗(yàn)工藝系統(tǒng)上。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有電流采樣、信號(hào)放大和隔離輸出功能的電磁閥電流測(cè)量電路，增益可根據(jù)需求調(diào)整，適用于高側(cè)或低側(cè)電磁閥電流測(cè)量。

1 整體方案

本文的電流測(cè)量電路主要分為電流檢測(cè)電路、隔離電路、輸出電路3個(gè)部分，如圖 1所示。電流檢測(cè)電路部分主要功能是在電磁閥電流上串聯(lián)小阻值采樣電阻，再用電流檢測(cè)放大器INA240把電阻兩端電壓放大。該電壓經(jīng)隔離放大器AMC1311隔離后，利用儀表放大器INA826轉(zhuǎn)為單端電壓信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2個(gè)DC-DC模塊為輸入和輸出端提供獨(dú)立的隔離供電。在最大3 A的電磁閥電流下，采樣電阻RSHUNT兩端電壓為30 mV，隔離放大100倍后輸出3 V電壓，電流測(cè)量靈敏度為1 V/A。

圖1 電流測(cè)量電路功能框圖Fig.1 Functional block diagram of the current measurement circuit

2 供電電路設(shè)計(jì)

為保護(hù)后端器件并隔離干擾，把外部5 V供電經(jīng)過2個(gè)隔離式DC-DC模塊后，輸出2路5 V的隔離電源，分別為電流測(cè)量電路輸入和輸出端供電，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。選用了金升陽公司的B0505S-2WR2隔離非穩(wěn)壓DC-DC模塊。該產(chǎn)品適用于：①輸入電壓比較穩(wěn)定(電壓變化范圍±10%)；②輸入輸出之間要求隔離電壓≤1 500 VDC；③對(duì)輸出電壓穩(wěn)定度要求不高。其關(guān)鍵參數(shù)為：開關(guān)頻率100 kHz，紋波電壓75 mVP-P，輸出電壓5.5 V，最大電流400 mA，效率高達(dá)84%，能滿足本設(shè)計(jì)的供電需求。

DC-DC電路原理如圖2所示。圖中C1=C2=4.7 μF，與6.8 μH的差模電感LDM組成了電磁干擾濾波器，防止外部交流線路產(chǎn)生的噪聲進(jìn)入。COUT=10 μF為輸出濾波電容。需要注意的是，電路輸出最小負(fù)載不能小于額定負(fù)載的10%。

電流檢測(cè)電路中的精密放大器需要低噪聲電源供電。在隔離式DC-DC模塊供電的基礎(chǔ)上，用高電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio，PSRR)的低壓差線性穩(wěn)壓器(Low-Dropout，LDO)進(jìn)行后期穩(wěn)壓。根據(jù)電流檢測(cè)電路各放大器的輸入輸出范圍，選擇了凌力爾特(Linear Technology)公司生產(chǎn)的LT3042型LDO芯片，其內(nèi)部為一個(gè)高精度電流基準(zhǔn)后接一個(gè)高精度電壓緩沖器，是當(dāng)前業(yè)界PSRR最高的穩(wěn)壓器之一[7]，在100 kHz處的PSRR高達(dá)78 dB，可以有效減小DC-DC模塊產(chǎn)生的開關(guān)噪聲。其關(guān)鍵參數(shù)為：最大輸出為200 mA時(shí)，壓差350 mV、輸出噪聲0.8 μV。

LDO電路原理如圖 3所示。LT3042內(nèi)部100 μA電流源從SET引腳引出，在RSET上產(chǎn)生的電壓經(jīng)緩沖后輸出，有VOUT=100 μA·RSET。根據(jù)DC-DC模塊的輸出特性和電流測(cè)量的需求，選擇RSET=45.3 kΩ，即可設(shè)置VOUT=4.5 V。然而要獲得理想的精度、穩(wěn)定性和帶寬，必須注意：①CIN和COUT均選擇4.7 μF，低ESR和低ESL，X7R電介質(zhì)的陶瓷電容；②RSET選擇10 ppm/℃的低溫漂電阻；③用低漏電流的CSET=10 nF旁路SET引腳上的干擾；④在電路板兩面用電位與VOUT相等的保護(hù)環(huán)把SET引腳保護(hù)起來，并徹底清潔電路板，防止電流泄漏；⑤輸出電壓反饋信號(hào)OUTS應(yīng)直接從COUT的正端??；⑥RSET、CSET的負(fù)端應(yīng)從COUT的負(fù)端取，并使CIN和COUT負(fù)端之間的距離盡量短。

圖3 LDO電路原理圖Fig.3 Functional block diagram of the LDO circuit

3 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

3.1 采樣電阻

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥常用電流范圍約0.5～1.5 A。選用了厚聲公司Metal Strip系列金屬箔電阻，精度1%，阻值為10 mΩ，溫度系數(shù)僅為±30 ppm/℃。額定功率3 W，盡可能減小溫升。

3.2 電流檢測(cè)放大器

為了放大采樣電阻上的30 mV電壓，選用TI公司的INA240A2精密電流檢測(cè)放大器，其固定增益50 V/V，也可根據(jù)測(cè)量需要選取其他增益的型號(hào)。該芯片輸入共模電壓范圍能覆蓋常用發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥的工作電壓。具有增強(qiáng)型PWM抑制功能，可有效減小負(fù)載通斷電時(shí)共模電壓變化而產(chǎn)生的輸出瞬變及恢復(fù)紋波[8]。采用零溫漂架構(gòu)，關(guān)鍵參數(shù)為：輸入失調(diào)電壓±5 μV，漂移±50 nV/℃，輸入偏置電流90 μA，帶寬400 kHz，輸出電壓可低至1 mV，非常適合用于測(cè)量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥電流。電流檢測(cè)放大器電路設(shè)計(jì)如圖 4所示。采樣電阻到INA240輸入端的引線應(yīng)使用開爾文連接方式從焊盤中心引出，并使引線長(zhǎng)度相同。REF1、REF2、GND引腳和電源去耦電容的負(fù)端應(yīng)在一處單點(diǎn)接地。

圖4 電流檢測(cè)放大器電路原理圖Fig.4 Functional block diagram of the current sensing circuit

3.3 反電勢(shì)抑制

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥是典型的感性負(fù)載，從通電狀態(tài)斷開時(shí)，其兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)十到上百伏的反向電動(dòng)勢(shì)[9]，超出了電流檢測(cè)放大器允許的共模電壓范圍，導(dǎo)致芯片燒毀。最常規(guī)的對(duì)策是用續(xù)流二極管與感性負(fù)載并聯(lián)，可以釋放線圈中的能量并迅速把反電勢(shì)鉗位[10]。但是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥控制電路中為了加快能量釋放和電磁閥關(guān)閉速度，經(jīng)常會(huì)使用一個(gè)電阻與二極管串聯(lián)后再與線圈并聯(lián)，如圖5中D1和R1所示。D1是續(xù)流二極管，常用1N4007；R1具體阻值根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位的要求選擇或者短接。此時(shí)反電勢(shì)尖峰的持續(xù)時(shí)間更短，但共模電壓(Common Mode Voltage，VCM)峰值仍有數(shù)十伏[11]，后端芯片不能承受。

圖5 反電勢(shì)抑制電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of the back EMF(Electro-motive Force) suppression circuit

瞬態(tài)抑制二極管(Transient Voltage Suppressor，TVS)的兩端加載超過其反向擊穿電壓(Break Down Voltage，VBD)的尖峰脈沖時(shí)，能以納秒級(jí)的速度降低自身阻抗，使兩端維持在鉗位電壓(VCLAMP)，具有響應(yīng)速度快、瞬態(tài)功率大、漏電流低等優(yōu)點(diǎn)。本文據(jù)此設(shè)計(jì)了改進(jìn)的反電勢(shì)抑制電路，關(guān)鍵元件TVS2為反向偏置的TVS二極管，如虛線框中所示。繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)，TVS2迅速擊穿，把VA鉗位在VCLAMP。此時(shí)TVS1也正向?qū)?，因此VB≈-(VCLAMP+0.7)V。繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)，TVS1令本支路反向截止。在真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥上測(cè)試了國(guó)內(nèi)外10種標(biāo)稱VBD<4 V的低電壓TVS二極管，結(jié)果如表1所示。

表1 10種低電壓TVS二極管鉗位電壓測(cè)試結(jié)果Tab.1 Clamping voltage test result of 10 low voltage TVS

僅有晶焱科技的雙向TVS二極管AZ6225-01F可將VA鉗位在-5 V以內(nèi)，使RSHUNT上的VCM滿足INA240極限參數(shù)(-6～90 V)的要求。TVS1選用型號(hào)為SMAJ54A的TVS二極管，其反向漏電流僅1 μA，可以提供額外的過壓保護(hù)，也可以使用普通二極管。

3.4 隔離放大器

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥的電源電壓通常在30 V附近，大大超出常見數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)允許的共模電壓范圍。此外，負(fù)載的地線上動(dòng)態(tài)電流較大且與測(cè)量地之間存在一定阻抗，容易引入干擾信號(hào)。工程上一般采取電氣隔離的手段解決安全和干擾問題。常見的模擬信號(hào)隔離方案有4種：①以AD215、DataForth SCM5B等為代表的獨(dú)立隔離模塊[12-13]，采用變壓器耦合，性能最好但體積、功耗和價(jià)格都很高；②基于嵌入式系統(tǒng)，在A/D和D/A之間進(jìn)行數(shù)字隔離[14-15]，一般精度和速度不能兼得；③利用精密線性光耦HCNR201等搭建電路[16-17]，使用比較靈活，但其溫度系數(shù)較大；④基于Δ-Σ調(diào)制和開關(guān)鍵控調(diào)制(On-off Keying,OOK)，電容隔離的隔離放大器[18]，在各種指標(biāo)上取得了較好的平衡，如ISO224和AMC1xxx系列。

本文選用了TI公司的AMC1311B隔離式精密放大器，針對(duì)隔離式電壓測(cè)量進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)型電隔離高達(dá)7 kV[19]。其關(guān)鍵參數(shù)為：輸入失調(diào)電壓±0.4 mV，漂移±3 μV/℃，增益漂移5 ppm/℃，帶寬275 kHz?？山邮?0.1～2 V的單端輸入，并轉(zhuǎn)化為單位增益的差分輸出?？梢杂行У匕央娏鳈z測(cè)側(cè)和輸出側(cè)隔離，同時(shí)保持較高的精度。隔離放大器電路設(shè)計(jì)如圖 6所示，兩側(cè)的去耦電容都選用1206封裝的陶瓷電容，輸入輸出信號(hào)線應(yīng)盡可能短，并從電容和地層之間走線。

圖6 隔離放大器電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of the isolation amplifier circuit

3.5 儀表放大器

由于AMC1311B輸出為1.44±1 V的差分信號(hào)，為了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，需要把差分信號(hào)轉(zhuǎn)成單端信號(hào)。儀表放大器是一種低成本、高性能的解決方案。本文選用了TI公司的INA826，輸入失調(diào)電壓為±40 μV，漂移為±0.4 μV/℃，帶寬在500 kHz以上。儀表放大器電路設(shè)計(jì)如圖7所示，增益設(shè)置電阻為固定電阻RG1(47 kΩ，10 ppm/℃)和可調(diào)電阻RG2(5 kΩ，100 ppm/℃)串聯(lián)，可以減小可調(diào)電阻溫漂產(chǎn)生的影響。增益設(shè)置為2，可調(diào)范圍約±5%，覆蓋采樣電阻容差及前面2級(jí)放大器的初始增益誤差。增益設(shè)置電阻對(duì)寄生電容敏感，應(yīng)把附近的地層去除[20]。

圖7 儀表放大器電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of the instrumentation amplifier circuit

4 測(cè)量誤差分析

電流的測(cè)量精度除了取決于電路本身特性，還與電磁干擾、電纜阻抗等眾多外部因素相關(guān)。其中一些誤差如增益誤差等容易進(jìn)行校準(zhǔn)，下面將只討論包含溫漂、噪聲等在內(nèi)的不可校正誤差，統(tǒng)一折算到各級(jí)的輸入端電壓進(jìn)行分析。由于本電路一般集成安裝于機(jī)柜內(nèi)，設(shè)環(huán)境溫度為25±15 ℃。

4.1 基本誤差

基本誤差包括運(yùn)放輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、共模信號(hào)等系統(tǒng)固有的不可校正誤差源，如表2所示。

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

4.2 溫漂

溫漂包括采樣電阻、運(yùn)放輸入失調(diào)電壓、增益等參數(shù)因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的漂移，如表3所示。

表3 溫漂導(dǎo)致的不可校正誤差估算Tab.3 Uncorrectable error estimation of temperature drift

4.3 噪聲

噪聲誤差主要考慮各級(jí)放大電路的電壓噪聲，如表4所示。

表4 噪聲導(dǎo)致的不可校正誤差估算Tab.4 Uncorrectable error estimation of noise

4.4 總誤差估算

上述各項(xiàng)誤差之間是相互獨(dú)立的，使用均方根方法對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行合成，估算出在25±15 ℃的范圍內(nèi)，總不可校正誤差約為0.1449%。其中溫漂導(dǎo)致的誤差最大，因此應(yīng)盡可能保持使用環(huán)境和元件溫度穩(wěn)定，如加強(qiáng)機(jī)柜通風(fēng)，在采樣電阻上安裝散熱片等。

5 校準(zhǔn)與測(cè)試

5.1 靜態(tài)校準(zhǔn)

為評(píng)估電流檢測(cè)電路的靜態(tài)精度，利用普源DL3021A電子負(fù)載的恒流模式調(diào)整負(fù)載電流，Keithley 2000六位半數(shù)字多用表測(cè)量電流和輸出電壓，進(jìn)行3個(gè)循環(huán)后用最小二乘法擬合工作直線。其中1個(gè)循環(huán)的結(jié)果如表 5所示。測(cè)試結(jié)果顯示其非線性0.023%，重復(fù)性0.030%，遲滯0.028%，未校準(zhǔn)時(shí)綜合精度優(yōu)于0.09%，校準(zhǔn)后工作直線的綜合精度優(yōu)于0.025%。

表5 穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果Tab.5 Calibration result of static measurement

5.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

利用泰克AFG3011C波形發(fā)生器產(chǎn)生正弦波和方波信號(hào)，用普源MSO5072示波器測(cè)試輸出信號(hào)，結(jié)果顯示本電路小信號(hào)-3 dB帶寬為235 kHz；受INA826的壓擺率限制，滿量程輸出時(shí)-3 dB帶寬為110 kHz。方波信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖 8所示，上升時(shí)間1.88 μs，下降時(shí)間1.86 μs，動(dòng)態(tài)性能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥電流測(cè)量要求。

圖8 電路階躍響應(yīng)Fig.8 Step response of the circuit

5.3 電磁閥負(fù)載測(cè)試

用本電路測(cè)量某型號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥的電流信號(hào)，如圖 9所示。在額定電流1.65 A時(shí)，噪聲為2.53 mA，比傳統(tǒng)測(cè)量方法下降了84%，取得了良好的應(yīng)用效果。

圖9 本文電路與傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量效果對(duì)比Fig.9 Comparison of the effect between this circuit and traditional measurement methods

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的電磁閥電流測(cè)量電路具有電流采樣、信號(hào)放大、隔離輸出功能。反電勢(shì)抑制電路確保其在感性負(fù)載下可靠工作。誤差分析得出本電路的總不可校正誤差為0.144 9%。實(shí)物電路板校準(zhǔn)后精度優(yōu)于0.025%，滿量程-3 dB帶寬為110 kHz，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，在性能和成本上均具有明顯優(yōu)勢(shì)，如表6所示。本電路已于多個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)中使用，對(duì)采樣電阻和增益進(jìn)行適應(yīng)性修改后，也可應(yīng)用于其他電流測(cè)量任務(wù)中。

表6 兩種測(cè)量方法性能價(jià)格對(duì)比Tab.6 Performance and price comparison of two measurement methods