双冗余容错高可靠正脉冲和负脉冲开关指令驱动装置

技术领域

本发明属于电子电路设计技术领域，具体涉及双冗余容错高可靠正脉冲和负脉冲开关指令驱动装置，可应用于各类电子系统正脉冲或负脉冲指令的输出驱动，尤其适用于航天器、武器装备等高可靠应用场合。

背景技术

在电子系统中，设备开关及状态设置通常由脉冲信号进行控制，例如在卫星、飞船等航天器中，设备加断电等指令的执行电路通常是继电器等开关器件，开关的动作需要一定的电压和电流驱动，因此要求指令输出电路需要提供足够的驱动能力，同时要保证电路不能发生误动作。

卫星等航天器电子系统中，脉冲开关指令一般分为两种，正脉冲和负脉冲，分别用于开关控制指令信号电流通路的正线或回线端。以往传统的卫星电子系统中，由于没有专用的指令驱动电路芯片，正脉冲指令输出通常采用三极管射随输出的方式输出电压信号，输出信号的电压范围一般在0～12V之间，驱动电流多在10mA以内，需要在指令接收端增加专门的驱动电路才能够控制继电器等开关动作。而且，系统还需要为各个继电器提供专用的线包驱动电源，将较高电压(通常是+28V)的指令电源通过单独的引线分别送给各个接收指令的设备。在系统复杂，设备指令较多的场合，这种设计方法给系统带来很大的硬件开销。另一方面，由于输出信号电压低，接收端的门限电平就较低，经过长距离传输后指令信号容易受到干扰，造成指令的误触发或者不执行，影响系统稳定工作。为了提高系统的可靠性，传统的卫星指令信号的传输需要采取很多种措施来保证，对系统的接地等电磁兼容性等设计控制措施要求非常高，额外增加了较多的资源开销，不利于系统的优化。而对于负脉冲指令输出，通常采用三极管集电极开路方式输出，输出信号的电压范围一般在0～28V之间，驱动电流多在20mA～200mA之间，实现方式通常为分立器件组合设计电路或多路指令驱动芯片。例如LB8169，该芯片提供4路200mA负载驱动能力，芯片封装为DIP14，芯片体积较大。传统的驱动装置由于电路设计的集成度不高，造成指令发送端设备的体积过大，随着器件的增多带来电路可靠度降低，已经不能适应设备小型化的发展趋势。

随着，卫星等航天器的复杂度和集成度的进一步提高，既要减少指令系统的开销，提高集成度，提高标准化，又要保证指令传输和执行的可靠性和安全性，需要设计一种航天器通用的指令驱动电路芯片，提高电压和电流驱动能力，控制受端设备，满足航天器等上大多数高可靠应用场合的指令驱动传输需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供新兴的双冗余容错高可靠脉冲开关指令驱动装置，实现正脉冲开关指令和负脉冲开关指令驱动，可提高指令接口的电压和电流驱动能力，简化系统指令传输和控制接口的复杂度。一种双冗余容错脉冲开关指令驱动装置，包括两层多级驱动单元；

每层多级驱动单元均包括前级驱动电路和后级驱动电路；

第一层多级驱动单元和第二层多级驱动单元中的前级驱动电路用于将各自的输入控制信号进行偏置分压，将电路启动电压调整到规定的电平，当输入控制信号的电平达到设定阈值时启动后级驱动电路，确保输入端在可靠的电平下才能启动指令脉冲输出，同时对电流进行一级放大，为后级驱动提供足够的电流驱动能力；

第一层多级驱动单元和第二层多级驱动单元中的的后级驱动电路用于根据前级输出的控制信号完成对指令脉冲的开关控制和电流放大，保证后级输出的脉冲信号达到规定的电流驱动能力；

第一层和第二层多级驱动单元中的后级驱动电路上下串联形成复合开关电路，第一层开关输出作为第二层开关输入，确保在两层驱动电路同时启动时建立脉冲开关指令信号的电流通路，完成脉冲信号的输出。

进一步的，多级驱动单元还包括输入端保护电路，用于保护为本装置的输入控制信号免受指令电源的高电压损伤。

较佳的，当输出正脉冲指令时，第一层多级驱动单元的前级驱动电路包括NPN型三级管T1和电阻R1、R2；第一层多级驱动单元的后级驱动电路包括PNP型三级管T2和电阻R3、R4；第二层多级驱动单元的前级驱动电路包括NPN型三级管T2和电阻R5、R6；第二层多级驱动单元的后级驱动电路包括PNP型三级管T4和电阻R7、R8，其中：

电阻R1一端接本电路的输入控制信号后接电阻R2再接地；三级管T1的基极接到电阻R1和R2之间；三级管T1的发射极接地；集电极串接电阻R3和R4后接指令电源；三极管T2的基极接在电阻R3和R4之间，三极管T2的发射极接指令电源；

电阻R5一端接本电路的输入控制信号，另一端接电阻R6再接地；三级管T3的基极接到电阻R5和R6之间；三级管T3的发射极接地，集电极串接电阻R7和R8后接指令电源；三极管T4的基极接在电阻R7和R8之间，三极管T4的发射极接三极管T2的集电极，三极管T4的集电极作为指令脉冲的输出端。

进一步的，还包括两个分别正向串接在电阻R1和R5与各自输入控制信号之间的二极管。

较佳的，当输出负脉冲指令时，第一层多级驱动单元的前级驱动电路包括NPN型三级管T1和电阻R1、R2；第一层多级驱动单元的后级驱动电路包括NPN型三级管T2及电阻R3；第二层多级驱动单元的前级驱动电路包括NPN型三级管T3及电阻R4、R5；第二层多级驱动单元的后级驱动电路包括NPN型三级管T4及电阻R6，其中：

电阻R1一端接本电路的输入控制信号后接电阻R2再接三极管T4的集电极；三级管T1的基极接到电阻R1和R2之间；三级管T1的集电极串接电阻R3后接供电电源；三级管T1的发射极接三极管T2的基极；三极管T2的发射极接三极管T4的集电极；三极管T2的集电极作为指令脉冲的输出端；

电阻R4一端接本电路的输入控制信号，另一端接电阻R5后再接地；三级管T3的基极接到电阻R4和R5之间；三级管T3的发射极接三极管T4的基极，集电极通过电阻R6接供电电源；三极管T4的发射极接指令地。

进一步的，还包括两个分别正向串接在电阻R1和R4与各自输入控制信号之间的二极管。

一种基于上述双冗余容错脉冲开关指令驱动装置的芯片，单个芯片内包含多个驱动装置；所有驱动装置的第一层多级驱动单元设置在一个管芯中，所有驱动装置的第二层多级驱动单元设置在另一个管芯中。

较佳的所述芯片采用双极型SOI工艺；每个驱动装置的电路元件均独立设计。

本发明具有如下有益效果：

本发明的双冗余容错高可靠正脉冲和负脉冲开关指令驱动装置，由独立的两个多级驱动电路以上下两层输出级串联的方式构成，上下两层的功能和原理相同，其中每层驱动电路包括“前级”和“后级”两级驱动电路，同时包含输入端保护电路。该电路和芯片设计方案克服现有技术和电路的不足，提高了指令接口的电压和电流驱动能力，简化系统指令传输和控制接口的复杂度，能够有效地避免多种单点故障模式，提高航天器内指令系统的可靠性。可应用于各类电子系统正脉冲和负脉冲指令的输出驱动，尤其适用于航天器、武器装备等高可靠应用场合。

本发明的指令驱动电路可以适应比较宽的指令电压范围，支持从+12V至32V的指令电源电压输出。

本发明的驱动电路比现有的驱动电路芯片具有更大的输出能力，电流可以达到200mA以上，能够满足大多数指令负载的使用需求，能够大幅简化负载端指令接口电路，提高系统可靠性；

抗干扰能力强，上下两路控制信号能够有效避免控制电路的单点故障；每一路控制信号均设有启动的门限，防止因控制信号的干扰导致指令误触发；

上下两层的级联结构避免常通故障模式，无共因失效模式；且通过两个器件并联使用，可以避免常断故障模式，可以有效地提高指令电路的可靠性和安全性。

本发明的电路实现定制ASIC芯片设计，接口标准化程度高，具有很高的通用性，可以满足大多数航天器等高可靠指令接口的使用需求，具有很好的应用价值和经济效益。

附图说明

图1为本发明的双冗余容错高可靠正脉冲开关指令驱动装置的基本组成框图；

图2为本发明的多通道双冗余容错高可靠正脉冲开关指令驱动装置的组成框图；

图3为本发明的高可靠指令驱动芯片的双冗余封装方案示意图；

图4为本发明的双冗余容错高可靠正脉冲开关指令驱动装置的单层驱动电路图；

图5为本发明的双冗余容错高可靠正脉冲开关指令驱动装置的双层驱动电路图；

图6为本发明的双冗余高可靠正脉冲指令驱动电路输出增加隔离驱动电路的原理图电路；

图7为本发明的双冗余容错高可靠负脉冲开关指令驱动装置的基本组成框图；

图8为本发明的多通道双冗余容错高可靠负脉冲开关指令驱动装置的组成框图；

图9为本发明的双冗余容错高可靠负脉冲开关指令驱动装置的单层驱动电路图；

图10为本发明的双冗余容错高可靠负脉冲开关指令驱动装置的双层驱动电路图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提出的双冗余容错高可靠脉冲开关指令驱动电路中的正脉冲开关指令驱动装置，由独立的两个多级驱动电路以上下两层输出级串联的方式构成，其中每层驱动电路包括“前级”和“后级”两级驱动电路，同时包含输入端保护电路等部分电路。第一层和第二层的电路结构形式相同，指令电源通过第一层的电路输出作为第二层的输入电源，第二层的输出作为整个电路的指令脉冲输出。上下两层的电路工作原理相同。

上述正脉冲开关指令驱动装置的功能具体如下：

如图1所示，当两层控制电路的输入信号同时输入正脉冲控制信号时，前级偏置电路通过分压确保在输入信号达到规定的电平后前级开关接通；前级开关的输出信号作为后级输出驱动开关的控制信号，使得后级开关接通，将指令电源的电压从输出端口送出，提供指令负载端的输入正脉冲信号。后级的驱动电路具备较大的电流输出能力和较小的输出压降，降低驱动电路本身的功耗，提高输出效率和电路元件长寿命工作的可靠性。

当输出的信号电平低于设计的偏置门限时，上下两层的前级开关均处于无效状态，后级开关不能为输出提供电压和电流输出，确保输出指令的脉冲为低电平。

为方便理解，下面详细介绍电路的具体结构。

如图4所示，为第一层多级驱动单元的电路图，第一层前级驱动电路包括NPN型三级管T1和电阻R1、R2，后级驱动电路包括PNP型三级管T2和电阻R3、R4；

如图5所示，为第一层和第二层多级驱动单元的电路图，其中第二层多级驱动单元的前级驱动电路包括NPN型三级管T2和电阻R5、R6；第二层多级驱动单元的后级驱动电路包括PNP型三级管T4和电阻R7、R8，器件之间连接关系如下：

电阻R1一端接本电路的输入控制信号后接电阻R2再接地；三级管T1的基极接到电阻R1和R2之间；三级管T1的发射极接地；集电极串接电阻R3和R4后接指令电源；三极管T2的基极接在电阻R3和R4之间，三极管T2的发射极接指令电源；

电阻R5一端接本电路的输入控制信号，另一端接电阻R6再接地；三级管T3的基极接到电阻R5和R6之间；三级管T3的发射极接地，集电极串接电阻R7和R8后接指令电源；三极管T4的基极接在电阻R7和R8之间，三极管T4的发射极接三极管T2的集电极，三极管T4的集电极作为指令脉冲的输出端。

上述电路中，各电阻的阻值根据门限电平和输出驱动电流的大小来选定。选用原则是保证前级三级管处于饱和态，且输出的电流能够驱动后级三级管驱动电路进入饱和态，确保输出压降和功耗最小。

进一步的，如图4所示，上述正指令驱动电路的输入保护电路由分别正向串接在电阻R1和R5与各自输入控制信号之间的二极管D1、D2实现，防止外部的高压经过控制端反向影响控制信号产生电路。

为提高电路集成度，本发明给出多通道集成电路解决方案，如图2和6所示。通过应用需求的综合分析，单个器件的指令通道数量不低于16路，集成度比传统芯片提高4倍以上。

本发明最终设计的元器件采用多芯片封装方法如图3所示，上下两层驱动电路由各自独立芯片实现，两个芯片封装在同一个管壳内，通过内部的引线连接，并于外部I/O连接。每个芯片包含16路通道。对应每个通道上层后级的输出，作为下层芯片的电源输入，最终由下层芯片的输出作为指令脉冲信号送出，能够有效避免共因失效造成常通故障。

为了适应卫星等航天器的高可靠应用场合,本发明提出的驱动电路,在芯片设计阶段,选择采用的双极型SOI工艺。版图设计中芯片内每个通道的电路元件均独立设计,避免通道间的串扰。针在半导体工艺设计阶段，第二级PNP管的CE结反向耐压值不易提高的限制，按照图6的电路，通过增加输出级的NPN三极管，提供大电流驱动能力下的反向耐压性能。

电路的元件参数选择可以根据不同的应用环境来计算，输入控制信号的正脉冲可以支持+5V～+12V的电压范围。输出电压可以适应+12V～+32V。下面结合图4给出一个本发明指令驱动电路的具体实例。

电路性能要求为在输入控制信号脉冲幅值为0～12V的条件下，驱动电流要求为不小于200mA，计算驱动电路的元件参数取值。

设三极管T2的放大倍数β＝30，为了达到T2导通时的驱动电流为200mA,则其基极电流为200÷30＝6.67(mA)。

取电源电压V＝+28V，T2的基极电阻应为(28-0.7-0.3)/6.67＝4(KΩ)，为使T2进入深饱和工作状态，取该电阻为3KΩ。在T1基极-发射极间接3KΩ电阻增加其截止状态的稳定性。该电阻的分流电流为0.7V/3＝0.23(mA)，可忽略不计。

实际流过T1集电极的电流为(28-0.7-0.3)/3＝9(mA)，设三极管T1的放大倍数β＝30，为保持T1导通其基极电流应为9/30＝0.3(mA)。当输入电压为7V，其基极输入电阻应为(7-0.7×3)/0.3＝16.3(KΩ)，为使T1进入深饱和工作状态，取该电阻为10KΩ。在T1基极-发射极间接51KΩ电阻增加其截止状态的稳定性。该电阻的分流电流为0.7V/51KΩ＝0.014(mA)，实际可忽略不计。

当输入电压≤2.1V，T1、T2截止，输出端无电流；当输入电压≥7.0V，T1、T2确保完全导通，输出端向负载提供电流。

当输入电压为12V时，输入端的高电平输入电流为(12-0.7×3)/10＝0.99(mA)。

输入端串联的二极管起隔离作用，防止故障情况下驱动负载的高电压进入前级控制电路。

经上述计算后电路参数为(R1＝3kΩ，R2＝3kΩ，R3＝10kΩ，R4＝51kΩ)。

本发明还提出了一种双冗余容错高可靠脉冲开关指令驱动电路中的负脉冲开关指令驱动装置，由独立的两个多级驱动电路以上下两层输出级串联的方式构成，其中每层驱动电路包括“前级”和“后级”两级驱动电路，同时包含输入端保护电路等部分电路。第一层和第二层的电路结构形式相同，指令电源通过第一层的电路输出作为第二层的对地通路，第二层的输出作为整个电路的指令信号输出。上下两层的电路工作原理相同。

上述负脉冲开关指令驱动装置的功能具体如下：

如图7所，当两层控制电路的输入信号同时输入负脉冲控制信号时，前级偏置电路通过分压确保在输入信号达到规定的电平后，前级开关接通；前级开关的输出信号作为后级输出驱动开关的控制信号，使后级开关接通。将指令信号OC门接通，提供从指令负载端的电流对地通路，形成负脉冲信号。设计后级的驱动电路具备较大的电流输出能力和较小的输出压降，降低驱动电路本身的功耗。提高输出效率和电路元件长寿命工作的可靠性。

当输出的信号电平低于设计的偏置门限时，上下两层的前级开关均处于无效状态、后级开关处于断开状态，不能为指令通道提供对地电流通路，确保输出端为高电平。

为提高电路集成度，本发明给出多通道集成电路解决方案，如图8所示。通过应用需求的综合分析，单个器件的指令通道数量不低于16路，集成度比传统芯片提高4倍以上。

为方便理解，下面介绍电路的具体结构。

如图9所示，为第一层多级驱动单元的电路图；如图10所示，为第一层和第二层多级驱动单元的电路形成完整的单通道指令驱动电路。

上述指令驱动电路的输入保护电路由二极管D1实现，防止外部的高压经过控制端反向影响控制信号产生电路。第一层多级驱动单元的前级驱动电路包括NPN型三级管T1和电阻R1、R2；第一层多级驱动单元的后级驱动电路包括NPN型三级管T2及电阻R3；第二层多级驱动单元的前级驱动电路包括NPN型三级管T3及电阻R4、R5；第二层多级驱动单元的后级驱动电路包括NPN型三级管T4及电阻R6，其中：

电阻R1一端接本电路的输入控制信号后接电阻R2再接三极管T4的集电极；三级管T1的基极接到电阻R1和R2之间；三级管T1的集电极串接电阻R3后接供电电源；三级管T1的发射极接三极管T2的基极；三极管T2的发射极接三极管T4的集电极；三极管T2的集电极作为指令脉冲的输出端；

电阻R4一端接本电路的输入控制信号，另一端接电阻R5后再接地；三级管T3的基极接到电阻R4和R5之间；三级管T3的发射极接三极管T4的基极，集电极通过电阻R6接供电电源；三极管T4的发射极接指令地。

同理，上述电路中各电阻的阻值根据门限电平和输出驱动电流的大小来选定。选用原则是保证前级三级管处于饱和态，且输出的电流能够驱动后级三级管驱动电路进入饱和态，确保输出压降和功耗最小。

进一步的，如图10所示，上述负指令驱动电路的输入保护电路由分别正向串接在电阻R1和R4与各自输入控制信号之间的二极管实现，防止外部的高压经过控制端反向影响控制信号产生电路。

与前述正脉冲电路芯片相同，为提高电路集成度，本发明给出多通道集成电路解决方案，最终设计的元器件采用多芯片封装方法也如图3所示。同时，负脉冲驱动电路也采用双极型SOI工艺。

电路的元件参数选择可以根据不同应用环境来计算，输入控制信号的正脉冲可以支持+5～+12V的电压范围，可以支持指令电源电压范围为+12V～+32V，输出指令电压范围+10V～+28V。

下面结合图10给出一个本发明指令驱动电路的具体示例。在输入控制信号V_IN的脉冲幅值为0～+12V的条件下，电路工作电压V

为了达到T2导通时的驱动电流为200mA，设三极管T2的放大倍数β＝30，则其基极电流不小于Imin＝200/30＝6.67(mA)；

T1的集电极上拉电阻限制了T2基极电流的大小，其阻值应满足一下条件：R2小于(V

取指令电源电压为最大V＝28V时，为使T2进入深饱和工作状态，取电阻R3为510Ω。

设三极管T1的放大倍数β＝30，为保持T1导通其基极电流应不小于6.67/30＝0.22(mA)。

在T1的基极和发射极间接51KΩ电阻增加其截止状态的稳定性。该电阻的分流电流约为(0.7+0.7)/51＝0.027(mA)，实际可忽略不计。

当输入电压V_IN为+7V时，其基极输入电阻R1应小于(7-0.7-0.7-0.7)/(0.22+0.027)＝19.8(kΩ)。为使T1进入深饱和工作状态，取该电阻为20kΩ。

输入电压V_IN低于设定门限(+2.1V)时，三极管T1、T2截止，输出端无电流；当输入电压大于7.0V，T1和T2确保完全导通，输出端向负载提供电流。

当指令电源的电压为12V时，输入端的高电平输入电流为(12-0.7х3)/20＝0.49(mA)。

输入端串联的二极管起隔离作用，防止故障情况下驱动负载的指令电源的高电压进入前级控制电路。

经上述计算后电路的参数为(R1＝20kΩ，R2＝51kΩ，R3＝510Ω)，原理电路如图10所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。