SCB的特性及计算机仿真

摘要随着信息时代的到来,微电子技术飞速发展,如今已经渗透到社会生活的各个方面，尤其突出的是微电子技术在计算机业,军事エ业方面带来的前所未有的技术革命。将微电子技术应用到火工品的制作中,目前还是ー个比较新颖的课题。其中将取代传统金属桥线,应用于引爆和点火装置的半导体桥（SemiconductorBridge,简称SCB）便是本毕业设计将要讨论的主要内容。半导体桥能够被应用于引爆或点火装置,主要是因为与传统金属桥线相比,半导体桥具有以下几个非常突出的优点:发火能量低;发火时间短,且可以进行较为精确的控制;安全性好,可靠性高;抗射频,抗静电干扰能力强；易于存储和搬运,易于大规模生产。基于以上优点,半导体桥具有很高的应用价值。采用了半导体桥的发火装置,其设计可以通过ー些电路仿真软件进行模拟,例如MicroSim公司的PSPICE电路仿真软件。毕业设计中,将讨论PSPICE软件环境中的半导体桥简单模型。并根据这个简单模型进行仿真,针对仿真结果对半导体桥的特性进行分析。AbstractWiththecomingeraofInformation,technicalofmicroelectronicsisinrapidprogress,andnowithasbeeninfiltratedintoeverywalkoflife,especiallyinindustryofcomputerandmilitary.Bringthetechnicalofmicroelectronicsintotheproductionoffireproductisstillanoveltopic.SemiconductorBridge,anewsubstituteforthetraditionalmetalbridgewires,whichismainlyusedindetonateandignition,willbethemaincontentofmygraduateplan.SCBcanbeutilizedindeviceofignition,becausecomparedwithtraditionalmetalbridgewires,SCBhasthefollowingoutstandingmerits:Consuminglowenergywhenignition.Spendinglesstimeandmoreprecisecontrolwhenignition.Moresafetyandhighercredibility.Resistrayandstrongeranti-jammingabilityofstaticelectronic.Easytostorageandtransit,bepronetomassproduction.Basedonthemeritsabove,SCBhashighutilizevalue.DeviceofignitionadoptedofSCBcanbeemulatedbysomesoftwarelikePSPICE,whichisanelectro-circuitsimulatingsoftwareofMicroSimCorporation.MyGraduatePlanwillbefocusonemulatingthesimpleelectricmodelofSCBunderthecircumstanceofPSPICE,andthenanalyzingthepropertyofSCBfromtheemulatingdata.前言第一章半导体桥（SCB）与计算机仿真概述第1节半导体桥概述半导体桥结构及工作原理半导体桥发展概况第2节 仿真软件介绍PSPICE软件概述PSPICE原理及组成第二章半导体桥（SCB）特性及其电气模型第1节半导体桥特性及其电气模型爆炸桥线半导体桥简单模型对简单模型仿真的分析第2节 能量范围广阔时的半导体桥模型实验数据分析高能量下的半导体桥模型低能量时的半导体桥模型第三章 半导体桥（SCB）的计算机仿真第1节 半导体桥简单模型的建立搭建测试电路半导体桥子电路从实验数据中获取信息第2节 对测试电路进行模拟仿真电路仿真针对不同实验设置的仿真第3节 对仿真结果的分析附录附录1参考文献、资料及书目附录2从实验数据图（图2-3）中获得的信息点结束语半导体桥（SemiconductorBridges,简称SCB）作为爆炸和点火装置的引燃部件得到越来越广泛的应用。其优点在于采用半导体桥只需要较低的电压和较低的能量,即可完成引爆或点火的任务。同时半导体桥还具有非常出色的安全特性。采用了半导体桥的发火系统的设计可以通过一些微机电路仿真软件进行模拟,例如MicroSim公司的PSPICE电路仿真软件。本毕业设计的题目是“半导体桥的特性及其计算机仿真”。主要任务是分析半导体桥的电气特性,并在MicroSim公司的PSPICE软件环境中建立半导体桥的简单模型,并针对简单模型进行仿真。第1章半导体桥与计算机仿真概述半导体桥概述半导体桥结构及工作原理传统的引爆装置使用的是细金属桥线点火。通过电流输入到桥线,使桥线温度升高,加热已填充在构件内的火药来实现引爆的目的。有些火工品还要求在金属桥线上涂ー层很敏感的炸药来引燃内部的火药。典型的传统桥线式点火装置至少需要在数毫秒内输入3A的电流到桥线才能顺利完成引爆的动作。图1-1Sandia研究所研制的半导体桥而由美国San引a研究所在20世纪后期开发研制的半导体桥（SCB）点火装置与传统的点火装置的引爆方法不同（如图1-1所示）。San引a研究所开发的半导体桥可以完全替代金属桥线来引燃各种爆炸物。半导体桥是在硅衬底上附着大量的重掺杂多晶硅而形成的。如图1—2中所示,桥的长度由图中可以看到的铝层大小决定。在图1-2中桥长100um,桥宽380pm,重掺杂的多晶硅层是211m厚。图1—2半导体桥结构示意图铝层及其下面的重搀杂多晶硅层有较低的欧姆接触。由超声键合而成的铝层和桥线使得脉冲电流可以从桥的一端传输到另一端。施加到桥上的脉冲电流首先使桥头升温直至熔化,产生弱离子化硅蒸汽的熔融态硅沟道,当电流继续输入时,硅沟道渐宽,使铝焊盘之间的整个桥区全部成熔融蒸发状态。当半导体桥汽化蒸发后,成等离子体,具有相当高的温度,从而引燃压装在半导体桥上的火药。实验证明,半导体桥的作用时间（有效地引燃火药）只需要几十微秒的时间,比传统的金属桥线快几百倍,而引燃火药所需的能量大约只是传统金属桥线引燃火药所需能量的1ハ〇。因此，采用半导体桥的发火装置具有高效率,快速度,安全点火的特点。1.1.2半导体桥发展概况基于半导体桥的火工品于20世纪60年代在国外开始研究试制。经过将近30年的不懈努力,于80年代末期技术相对成熟。美国Sandia研究所半导体桥技术公司就是研制队伍中的突出代表。在优先于军品开发的同时,半导体桥也被广泛地应用于民用工业。目前国外已经开发成功应用了半导体桥技术的产品包括:半导体桥点火器,雷管,半导体桥光电陈列一体化新概念火工品等等。其中半导体桥光电陈列一体化新概念火工品的输入激发能量约2mJ,仅仅是桥线式火工品激发能量的1ハ0:同时具有良好的不发火性能,相当于全发火能量的80%;发火延期时间精度高;可以安全地自动控制；易于大规模生产,因此是取代传统金属桥线式火工品的最佳技术方案。由于采用半导体桥的发火装置具有低能量,快速度,高安全性等优势,使其成为国外比较重视的一种新型点火装置。国外研究者认为,目前使用传统金属桥线的场合,同样可以使用半导体桥。由于半导体桥的低电压低能量即可发火，快速作用,安全,与数字逻辑电路兼容,可用集成电路工艺制造等特性,估计它的应用前景会更加广阔。San引a研究所的代表曾经于1987年4月北京国际炸药与烟火技会议上介绍了“半导体桥无起爆药电雷管”,其尺寸约拇指大小,组件包括管壳,半导体桥,发火电容,发火开关,逻辑电路等。装药为CP,太安或HMX炸药,其输入线有三条,两条用于电源供电，一条为控制线或光纤,用于向逻辑电路输入控制信号。其发火能量约为类似桥线式装置的1ハ。,且作用时间短。在我国,半导体桥火工品于“八五”期间已列题。目前已经进行了方案论证和技术设计,并且进行了半导体桥的设计,加工,试验和测试，不带逻辑电路。主要目标是取代现行的桥线式火工品,以提高安全性,可靠性,缩短作用时间。国内在研究半导体桥时参照了一些国外同行的经验,选用了一些国外的实验数据。目前在半导体桥技术上,我国与国外有10年左右的差距。半导体桥的研究工作具有相当的难度。在我国,微电子技术应用于火工品还是ー个较新的课题。应用微电子技术的火工品其作用机理和作用过程与传统的桥线式火工品的作用机理和过程是截然不同的,这是研制中的一大难点。需要解决的困难还在于匹配和协调;用微电子技术加工火工品,具有一定的危险性,因此,提高研制中的安全性也是一个重要的问题。虽然我国与国外相比技术差距大,课题难度大,但是一旦攻破技术难关,将会为我国新型火工品的开发与研制奠定坚实的基础。1.2仿真软件介绍2.1PSPICE软件概述此次设计任务中有使用微机电路仿真软件对半导体桥进行计算机仿真的内容。即使用MicroSim公司的PSPICE电路仿真软件对半导体桥的电气特性进行仿真。PSPICE是众多SPICE软件中较为出色的ー个,是1984年MicroSim公司推出的基于伯克利学院SPICE软件的微机版本。SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis（电路分析仿真程序）是SPICE的全称,由美国加州大学伯克利分校于70年代推出。SPICE推出以后,在世界各国得到了广泛的应用。并且在1988年SPICE被美国定为国家エ业标准。MicroSim公司推出的PSPICE,使“SPICE软件只能工作于大型机上”成为历史,PSPICE可以应用到IBMPC及其兼容机上。而且PSPICE在输入输出图形处理，算法的可靠性,收敛性,仿真性,模拟功能扩展以及模型参数库和宏模型库等方面都有改善和扩充,因此PSPICE在国内外的用户十分广泛。⑵PSPICE作为通用电路分析程序,对其输入输出文件,输入输出变量与图形曲线,分析与控制语句,元器件名称与参数等的格式都有严格的语法要求。本次设计所使用的PSPICE是MicroSim公司于1997年推出的v8.0EvaluationVersion。2.2PSPICE原理及组成电路仿真软件是以电路理论,数值计算方法和计算机技术为基础实现的。采用数学模型和仿真算法,利用计算机的计算,存储和图形处理的高速度和高效率,以电路理论为依据,无需任何元器件,用预先设计出的具有一定功能的应用程序,取代

大量的仪器仪表。MicroSim公司的PSPICE电路仿真软件由6个基本程序模块组成的,它们分别是:电路原理图输入程序Schematics,激励源编辑程序StimulusEditor.电路仿真程序PSpiceA/d,输出结果绘图程序Probe,模型参数提取程序Parts,元器件模型参数库LIB。下面加以简单介绍:电MkroSimSchematics-[Schematicldl2J14电MkroSimSchematics-[Schematicldl2J14K出ftraw(favtgMeMewQplnm lookMariefs*kPo，&b 」0lXlD|曲。I利I|R|•I“WR|0|Q|、K|ロ|/|ISCB2W0526一三日因Igと网4IV|.|1|，|图1—3Schematics界面.电路原理图输入程序Schematics：PSPICE的输入基本上就是电路原理图和网单文件两种形式,其中以电路原理图输入更为简单,直观。电路元器件符号库中备有绘制电路原理图所需要的常用元器件符号,除了电阻电容等基本的器件级符号外，还有运放,比较器等宏模型级符号,以及数字电路的寄存器和各种门等单元符号。用户可以符号库中调出所需要的元器件符号,组成电路原理图（.sch）,由原理图编辑器自动将原理图转成电路网单文件（.cir）,并标上节点号,再由仿真エ具进行仿真。Schematics界面如图1—3示。.激励源编辑程序StimulusEditor：PSPICE中信号源种类繁多,为了方便用户设定信号源,PSPICE用激励源编辑程序帮助用户快速地建立输入信号源的波形。.电路仿真程序PSPICEA/D:电路仿真程序是PSPICE的核心部分。其仿真功能包括直流工作点分析,直流转移特性分析,直流小信号传输函数计算,交流小信号分析,交流小信号噪声分析,瞬态分析,傅立叶分析,直流灵敏度分析,温度分析，最坏情况分析,蒙特卡罗统计分析等。电路仿真程序接、收电路原理图输入程序的电路拓扑和元器件参数信息，经过元器件模型处理形成电路方程,求出电路方程的数值解,最后给出计算结果。仿真结果一般包括图形文件（.dat）和数据文件（.out）两部分。レ』Micro51mProbe-(SCB.dat]-IDIレ』Micro51mProbe-(SCB.dat]臼・3ヒIrace 如wTqo<s田ndowHe^> •俯Ix|包團圖I冋虱曳画&J皿回奥冋q|女|8|日|:图1一4Probe界面.输出结果绘图程序Probe:接受仿真程序输出的绘图文件（.dat）,在屏幕上绘制出仿真结果的曲线,波形。Probe程序界面如图1—4所示。随着Windows图形界面操作系统的出现,Probe的绘图能力也越来越强。.模型参数提取程序Parts:电路仿真工具的分析精度,可靠性和实用性在很大程度上取决于电路元器件模型及模型参数的精度。由于模拟电路的元件种类繁多,且模型参数库的规模有限,所以PSPICE无法提供很多模型,于是PSPICE提供了一个模型参数提取程序Parts,这是ー个优化提取的程序。根据用户的元器件特性或参数初值用曲线拟合等优化算法,得到参数的最优解。.元器件模型参数库LIB：PSPICE提供的元器件参数库都以・.lib的形式存放于L旧目录下,供仿真程序调用。除了备有分立元器件参数库以外,还有集成电路的宏模型参数库,并提供ー些著名的器件和一些IC生产厂家的专有元器件参数库。随着PSPICE版本的更新,这个库还在不断扩大。使用PSPICE进行电路分析设计时,各PSPICE程序模块间的关系和设计流程如图1—5所示。输出结果绘图第2章半导体桥特性及其电气模型1半导体桥特性及其电气模型半导体桥模型是以传统金属桥线模型为基础得到的,因此我们先简要介绍一下传统的金属桥线引爆的特性及其模型的建立方法,而后在此基础上探讨半导体桥简单模型的建立。1.1爆炸桥线（ExplodingBridgewires）对传统的应用于引爆的金属桥线,其电气特性可作如下描述:（1）当沉积到桥上的电能还是出现,在极短的一段时间内金属线电阻就会上升到ー个峰值;（2）达到峰值以后,金属桥线电阻阻值会逐渐降低,并趋于某ー个稳定的值。…僕.ExperimentaldataEarFy-tiniegaussiaT?modalLate-timeexponentialmodelEnergyDepositedin…僕.ExperimentaldataEarFy-tiniegaussiaT?modalLate-timeexponentialmodelEnergyDepositedinBridgewire(J)图2-1传统金属桥线的线电阻与桥上能量的关系曲线从图2—1中我们可以明显看出,根据实验数据描绘出的金属桥线电阻与桥线电压的关系曲线是由两条曲线组合而成的。在开始一段时间金属桥线电阻迅速上升（图中点间距较大的虚线所示）,这时电阻值的上升因为金属桥线从环境温度上升到气化温度导致绝对温度系数上升，从而阻值增大。金属桥线电阻的峰值与桥线的“发火”有着密切联系,我们将线电阻峰值出现的时间定义为金属桥线的发火时间。峰值过后线电阻值降低，直到趋于ー个稳定值,则是因为金属桥线完全气化成等离子态导致桥线电阻的电阻率降低也。从上面的分析中我们可以感觉到,线电阻的阻值与注入到线上的能量有着紧密的联系。要分析模拟线电阻的特性,我们可以做一个假想,即:“线电阻（R）是注入到桥上的能量（E）的唯一函数”。注入到桥上的能量可以表示为:tE=fVIdt ,ク1）式中V是金属桥线上的电压,1是流经金属线的电流,t是时间。则线电阻可以简单的表示为:R=V/I （2-2）则的关系可以用下面这个式子表示:4= 2山（2-3）实验表明,较好的金属桥线模型都会尽量避免线电阻对于桥上能量有过多的依赖,这样ー来,经过参数调整后的模型模拟出的数据将会尽可能的与实验数据相吻合,在发火时的表现也将与实验中的实际情况相符切。上面关于传统金属桥线的特性及线电阻与线上能量关系的描述,以及后来提出的假想ー“线电阻是注入到桥上能量的唯一函数”,都是为了后面分析半导体桥的电阻特性,建立半导体桥的简单模型所做的铺垫。1.2半导体桥（SCB）简单模型要想建立半导体桥（SCB）的模型,首先要对半导体桥本身的特性有一定了解,这可以通过实验进行测试。在实验中获得一定量有关半导体桥的信息、数据后,通过分析数据,总结其间的规律,就可以总结出半导体桥的特性。首先我们来考察一个采用了半导体桥发火装置的典型实验所提供的数据。该实验使用了一个CDU=50V,19.08uF的电容。将整个实验过程中测量得到的数据（半导体桥电压值、半导体桥电流值）综合绘制于图2—2中。从图2—2中我们可以很容易地看出,大约在1.6リS时,流经半导体桥的电流值突然降低,同时桥上的电压值突然上升,由月二V〃可以推知此时也正是半导体桥电阻突然上升到ー个峰值的时间。在传统的金属桥线中发火时间被定义为电阻阻值突然上升的时间,相应的,我们将半导体桥的发火时间定义为半导体桥电流开始突然下降时的时间（此时也正是半导体桥电阻出现突然上升的时间）。从图2—2中我们还可以看出,在开始时电压与电流的比值很大,这意味着在开始时半导体桥电阻的值很大。然而这个值并不是真正的半导体桥的电阻值,理论上开始时半导体桥电阻值应该在1欧姆左右内。而且我们期望中的阻值在开始时是单调递增,到0.6uS时达到ー个峰值。那么根据实验数据在开始时レ//的数值较大则是因为电路中相互感应造成的,这个现象只是在刚开始时一段很短的时间内会出现。一»〇000000〇〇208一»〇000000〇〇208642_vニニO1n。pごb(二)。62.0ざ)BOUSS-SO0

765432100Time（us）图2—2实验数据曲线图根据（2—1）式,结合图2—2中展示出的信息我们可以转化出半导体桥电阻与桥上能量的关系曲线图,如图2—3所示。图2-3描绘的曲线就是典型的半导体桥电阻特性曲线。针对不同能量范围的状态已在图中标明,他们分别是:（1）外部传导阶段:此时桥上的硅表现出正温度系数;（2）固有传导阶段：在这个阶段,桥的温度上升到足够传送大量的电荷,此时电阻的温度系数是负的;（3）熔化阶段:此时半导体桥开始融化;（4）气化阶段：此时硅的电阻系数迅速增加。图2—3中的虚线部分显示的是我们先前讨论过的早期桥线电阻的近似特性。00.5 1.0 00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Energy(mJ)765432ざ)oouejs-sog图2—3桥线电阻与桥上能量关系曲线从图2—3中我们可以观察到,发火行为大约出现在桥上能量为1.7mJ时。而桥完全气化所需能量至少要1.65mJ,1.1mJ的能量是能够使桥线开始熔化的最低能量。因此,使桥线完全气化并可以发火所需要的能量的理论值已经在实验数据曲线图中表现出来。但是我们不能确定的认为在我们定义的发火点半导体桥的气化是完全的。因此,我们所说的发火时的1.7mJ和完全气化的1.65mJ只是表面上的符合,实际桥上的能量是有损失的。我们可以从实验数据中看出,存放于电容的初始能量E“=23.9mJ,这个值远远大于半导体桥完全气化所需的能量。值得注意的是,半导体桥电阻的描述要比图2—1中金属桥线电阻的描述难以理解得多。但对比金属桥线的模型于我们建立半导体桥模型仍然是很有意义的。通过图2—2和图2—3所给出的信息获得半导体桥的简单模型的方法如下:（1）建立一条符合半导体桥实验中关于桥电阻与桥上电压数据关系的较为平滑的曲线;（2）尽可能详细地列出半导体桥电阻与桥上能量的数据关系表。（3）创建一个PSPICE部件,要求部件的特性符合表中所列的桥线电阻与桥上电压的数据关系。1.3对简单模型仿真的分析将建立好的模型放到测试电路中去测试,是检验所建立模型是否合适的最简单,最有效的方法。要检验半导体桥模型是否合适,就要将其放到测试电路中。图2—4中所示就是采用了半导体桥的发火系统的电路示意图。我们在建立半导体桥模型时所使用的实验数据、信息就是从发火装置的输出到半导体桥的连线上测量得到的（即图中的1、2两点）。建立半导体桥模型所需的信息通过分析实验测量数据就可以得到,而不必在乎具体的测试用发火系统电路的具体配置。要注意的一点是,在实验中连接半导体桥和发火装置输出端的连接线的作用需要考虑到模型中去。在测量所需的实验数据时,测试电路中1、2两端点间的阻抗是ー个关键值,可以说这个值就是半导体桥的电阻值。但是在刚开始一段时间测量瞬间的电阻值时,实际测得的是连接发火装置与半导体桥所用的连接线阻抗与半导体桥自身阻抗之和。这一点在模拟半导体桥电阻时将会是一个难以避免的不足,但是连接线阻抗的影响是很小的一部分。也曾经有人尝试使用恒定的电感和电阻来表示这个连接线阻抗,但发现其模拟结果不能令人满意。我们猜想使用恒定分立元件表示连接线的

阻抗但并不理想的原因:在刚开始的一段时间内连接线的阻抗值主要受到线“表层影响”的支配因此早期的连接线阻抗值不能使用参数时不变的分立元件进行描述。图2-4图2—5是我们使用PSPICE软件对采用了半导体桥的发火装置测试电路的示意图。图中标记为CDU（CapacitorDischargeUnit的缩写）的电容是用来存储能量的。图中的电阻R_wire和电感L_wire所代表的是连接发火装置输出端和半导体桥的连线电阻和电感。R_wire和L_wire的数值对模拟结果的影响是小的。

S_scr_switchR标F=100S_scr_switchR标F=100MegRON二140mVOFF=01VL_finng_setVON=2V ~i6onHV_triggerV1=0VV2=5VTD=0.19uTR=1n图2—5测试电路示意图若忽略掉压控电压源和导线上电阻的影响,从图2—5中我们可以推知:匕•=Vc-Lfs^L(2-4)IflSl C JSat 、乙rノ这里匕是瞬间电容电压,ち是流经发火装置中电感L_firing_set的电流,ル是发火装置中的电感L_firing_seto图2—6是美国Sandia实验所应用如图2—4所示的半导体桥测试电路进行的针对4个不同实验设置的实验曲线。

图2—6#1318,#1334,#1322,#1335实验曲线实验中的经验表明,给出半导体桥电阻与桥上电压的数据关系后,再将发火装置测试电路中电感ら的值调整好,则仿真出的电压数据曲线将与实验数据曲线相符,同时还可以看出仿真得到的桥线电流的数据曲线也与实验数据曲线相符。图2—5中的ら值取160nH,这是ー个经过国外研究人员反复调整并通过测试得到的较为理想的数值,在仿真时可以得到较为满意的结果山。图2—5中压控开关的电阻值RON对仿真结果的影响比较小,同样根据具体实验结果,将其调整到140mQ最适合发火系统测试电路.。逐一观察图2—6中的仿真曲线图:编号为#1318的实验采用了19.08uF,50V的电容,桥上的初始能量是23.9mJo这个数值已经大大超过了使桥完全气化所需的能量,可以顺利的完成点火的任务,图中展示的电压电流曲线是非常标准的。编号为#1322的实验采用了10.34uF,90V的电容,桥上的初始能量是41.9mJ,也远远超过了使桥完全气化所需的能量。仿真得出的发火时间与实验结论相符,但是仿真得到的ガん/カ值很大,这意味着电压的振幅也极大,甚至超过了700Vo编号为#1334的实验采用了3.38nF,50V的电容,桥上的初始能量是4.23mJ,这恰恰是桥完全气化所需能量的2〜3倍。仿真得到的发火时间与实验结论相符。从#1334实验中可以看出，半导体桥模型在能量较低的范围内是适用的。编号为祥1335的实验采用了3.38uF,28V的电容,桥上的初始能量是1.33mJ,这个值已经小于使桥完全气化所需要的最低能量值。因此,这个实验中桥不会气化（观察图2—3中的实验数据可以得到证明）,也就不能发火,但是发火时间仍然出现在大约511s的时候。这是ー个非常重要的现象,预示着被引燃引爆的火药中会产生一定量的热反馈。2能量范围广阔时的半导体桥模型经过仿真测试我们发现,当实验中的CDU上存储能量的变化范围很大时,如果仍然使用半导体桥的简单模型进行仿真,则得到的结果不能令人满意。因此在这ー节中,我们将凭借在CDU上能量变化范围较大时进行实验所得到的数据,针对不同的能量范围建立更为适用的半导体桥模型，这样在CDU能量大范围变化时都可以得到较为理想的仿真结果。2.1实验数据分析图2—7是根据美国Sandia实验室对半导体桥进行多次实验得到的数据绘制的丹/E关系曲线。从这些曲线我们可以看出,这些实验中半导体桥都可以点火,且在点火时,半导体桥电阻都迅速增大。(7U)A6-IOLW图2—78/E实验数据关系曲线很明显地可以从图2-7中看出半导体桥电阻并不是桥上能量的唯一函数。图中的R/E关系曲线可以粗略地分为三组:(1)高能量部分,这组数据中桥上初始能量E。较高,实验中其数值都高于40mJo从这组实验数据曲线图看,流经桥线的电流开始出现下降后(即到达发火时间),桥线电阻的值ォ开始随着桥上沉积能量的增加而缓慢增加，但当桥上沉积能量达到ー定值时,桥线电阻阻值的增加变得非常迅速。(2)低能量部分,这组数据中桥上初始能量E。较低,实验中其数值不高于10mJo从这组实验数据曲线图看,在刚开始的一段时间内,桥线电阻阻值表现为通常情况的先增后降,但是在发火时间到达时,桥线电阻阻值突然上升,甚至可以说在发火时间到达时桥线电阻阻值跳变。(3)中间能量部分，这组数据中桥上初始能量ム介于高能量和低能量之间,在实验中具体数值介于10mJ〜30mJ之间。从这组实验数据曲线图上看,这组的实验中桥线电阻阻值的表现与高能量部分的表现相似。作为获得典型数据关系的编号为#1318的实验便属于中间能量部分的实验。将实验分为低能量,中间能量,和高能量三组进行描述,是以初始时CDU(CapacitorDischargeUnit)上存储能量的多少为标准的。在图中我们可以看出,除了编号为#1391的实验(E°=47.6mJ),其他位于#1318左侧的曲线所代表的实验的CDU初始能量值都比祥1318实验的E°=23.9mJ的能量低。相映的,位于#1318右侧的曲线所代表的实验则有较高的CDU初始能量。通过观察这些实验数据得到的另一结论如图2—8所示。图2-8是将发火时间作为发火时桥上能量的函数进行描绘的。这种表示方法突出强调的是低能量,中间能量和高能量三种不同情况下半导体桥发火时间上的差异。低能量部分的实验半导体桥需要较长的发火时间,并且与能量的关系趋于线性关系。而高能量和中间能量部分的实验中半导体桥发火时间并不随着能量的变化有明显的改变。Totalenergydelivered(mJ)图2-8发火时间与桥上能量的关系曲线结果表明,在2.1.2节讨论的以“桥线电阻是桥上能量的函数”为基础的半导体桥简单模型,应用到参数变化范围较大的发火装置时,得到的结果并不是很精确。可见,简单的半导体桥模型并不能完全适用于所有的实验条件。下面我们将针

对不同实验条件讨论适用于不同能量范围的半导体桥模型。2.2高能量下的半导体桥模型观察图2-7中高能量部分的实验数据曲线,我们可以发现,半导体桥发火所需的能量是随着CDU上的电压的增加而增加的。而且,随着CDU上电压的增加,除了完全气化桥所需要的能量增量外,还要有一定的额外能量增值。产生这部分额外的能量增值的原因是在半导体桥上的能量损失造成的。在半导体桥上造成能量损失的原因很多。比如,在连接线和半导体桥的铝层上，会产生欧姆接触热损失。能量从桥到周围介质,到铝层,到火药的传递过程中也会产生一些损失。根据能量损失是随着CDU上电压的增加而增加这一事实,为了能够较为准确的描述在高能量下半导体桥上的能量,就要将损失的能量部分包含进去。我们使用一个随电压递增的函数来描述能量损失。这意味着半导体桥上的能量可以用下面的公式描述:d-SCB

dt=vm-ALd-SCB

dt=vm-ALfL(y)](2-5)其中,吗围是半导体桥上的瞬时能量值,九(V)是以半导体桥上瞬间电压为自变量的用来描述能量损失的函数,ム是ー个固定系数。因为能量的损失是与桥上电压成正比的,且在低能量时,能量损失是小的,于是我们使用ー个在低电压(小于35V)时值为零的函数/厶(V)来描述能量损失。除去在低电压时为零的部分,这个能量损失函数是随桥上电压递增的,如图2—9所示。需要强调的是,作出这种选择是没有任何理论基础的。将函数/JV）描绘如图2—9,是在考察了实验数据之后作出的决定川。图2—9能量损失函数与电压的关系现在我们将目光集中到编号为井1318（属于中间能量部分）的实验上来。根据#1318实验得到的兄/Z关系曲线可以说是理想半导体桥（即没有能量损失）的にな关系曲线。当然,#1318实验中的能量损失并不是没有,所有的实验中能量损失都是存在的。既然已经加入了损失能量的考虑,那么我们就根据公式（2-5）来讨论半导体桥的能量,而不再像讨论简单半导体桥模型（相当于2—5式中ム=0）那样只考虑功率ワ对时间的积分。从图2—6中我们可以看出,在#1318实验中,桥上电压在桥将要发火时接近35V。这就是为什么我们选择35V作为九（レ）函数中的过渡电压的原因;电压稍高时，能量损失变得明显。

有了损失函数/JV）的模型,我们还要描述好的就是恒定乘积系数ム。调整ム的值使仿真出来的曲线尽可能符合髙能量实验部分中的#1322,即发火系统采用CDU=90V,10.34uF的电容。经过反复的实验发现当ん尸0.3时得到的模拟结果最符合#1322实验测量信息。加入了能量损失函数ん（V）和乘积系数ム的仿真实验曲线（图2-10）,（图2-6）作比较观察。可以和不考虑能量损失时的简单模型数据曲线ミュ。（图2-10）,（图2-6）作比较观察。可以和不考虑能量损失时的简单模型数据曲线ミュ。つJ5・チ;n二コン1401ねテ)三セ三。ヨ』二>ーケ》二;.?，3D604020Tir" Tim*（.SjNotごdifferenttrmcコヘddmpHttidescales图2—10#1318,#1334,#1322,#1335模拟曲线通过对比图2—6和图2—10中的#1334实验,我们发现采用简单模型和采用有损耗模型的仿真曲线其差距微乎其微。这是因为祥1334实验的电压本身已经很低，所以与电压值密切相关的损失函数带来的负面影响并不是很大。图2-6中所示的简单模型的#1335实验与图2—10中有损耗模型的仿真曲线并没有什么不同,这是因为在#1335实验中桥线电压从来没达到过35V的过渡电压,即损失函数れ(V)始终为零,所以针对#1335实验能量有损失与无损失的仿真曲线看上去几乎是没有差别的。从图2—10的#1318实验仿真曲线中我们还可以看出考虑了能量损失以后的仿真结果在发火时间过后其电压的表现并不稳定,在2Ps过后的一段时间仿真出的电压值有一个波动。同时还可以发现针对#1318和#1334实验,采用有损耗模型模拟出的结果在发火时间上看要比实际实验中测得的发火时间数值大,并且发火时仿真出的的桥线电压值与实际实验测得的值相比有所下降。在图2—11中,我们看到的是采用有损耗模型进行的针对图2—7中18个实验的模拟结果。从图中的数据曲线上看,有损耗模型在高能量实验时模拟结果良好。而在低能量实验时模型模拟出的结果的并不理想,但这不出乎我们的预料,因为我们还没有针对低能量时的实验情况对半导体桥模型做任何的改动,因此,下ー节中我们将讨论适用于低能量实验的半导体桥模型。-sモセ33,テ》&，Q>

囹2111i：tcmIinnv< if（，4已，岫、»k，，TIe・bI”い、h3QSガ.ッgI!シ»」用，“・JTine(|t»)Tln»t(p»)コ**910;>ユー二ペメ"エECb2.3低能量时的半导体桥模型现在我们先观察图2—7,图2—8和图2—11中所有属于低能量部分的实验。正如前面所讨论过的,即使CDU上存储的初始能量4小于完全气化半导体桥所需的能量时,半导体桥桥常常有可能发火。这里所说的“常常”的意思是在一定的电容和电压值下有发火的可能,并不是说在任何给定电容值和电压值下都可以发火。毫无疑问的,在任ー给定的电容条件下,只要电压低到ー定程度,就会有一个安全的不发火点,即无论将ん调整为多大,半导体桥都不会发火。然而,图2—11所列举的众多实验中并没有能够产生不发火点的实例内。通过观察实验数据我们还可以发现低能量实验的另ー个特点:当半导体桥的发火时间随着CDU上能量和电压的降低而增加时，其发火时桥上电压就变化得非常突然。国外研究者认为有可能是因为随着半导体桥的加热甚至开始气化,压装于桥上的火药开始点火并且燃着,将一些热量反馈给桥,完成桥的完全气化川。我们依据这个有热量反馈的推测建立一个新的半导体桥模型。假设火药被加热一段时间后会点燃,那么火药所接受的能量可以简单的定义为从半导体桥传到火药的能量。半导体桥到火药的能量传输速度可以用下面这个简单的公式进行描述:メp=%（T$cb-Tp）（2-6）at式中ル是传到火药上的能量,Tsa是半导体桥的温度,「是火药的温度,ル是热传输系数。我们假设硅上的热量是恒定的,热传输公式2—6中火药的温度就是未加热时的火药温度。则

式2—6可以表述为⑴：—npESCB（2—7）at这里Hp是ー个未知的热传导系数。我们假设当火药接受的热量E.到达ー个定值时,火药开始点燃,则式2—7中参数E"/"ア就是ー个定值。而后需要建立一个能够描述反馈回半导体桥的热量的公式,并且用如下公式描述这个反馈热量的传输率如下山:【Escb】TF=HSCB（EPB-E§cb）（Ep>EPI） （2—8）式中E也是我们假设的ー个用来衡量燃着火药温度的恒定值,“SCB也是ー个热传输系数（也是ー个定值）,热传输率右下角的脚标7T表示是这个热量传输率反馈热量的传输率。需要注意的是,这些描述都是ー种定性的描述,近似描述。这些描述都是建立在“半导体桥硅上的热量是恒定的”这ー假设的前提之下。而关于" ,Hscb,Em都是恒定的，并且在很宽泛的条件下都可以适用”这个假设也是比较脆弱的。尽管这些假设是脆弱的,这些描述也是近似的，但是半导体桥发火过程复杂,其中又有未知量的存在,所以我们还是不得不忽略近似描述的不足,采用这种定性的描述方法,近似的半导体桥模型。将桥上能量的描述公式2—5中加入热量反馈的考虑,就得到下面修正的能量描述公式:dEscBdt=VI[l-ALfdEscBdt=VI[l-ALfL(V)]+[ESCB]TF(2-9)第3章半导体桥的计算机仿真1半导体桥简单模型的建立1.1搭建测试电路为了模拟半导体桥的特性就需要将半导体桥放入ー个测试电路中对其进行测试,因此,首先要搭建一个测试电路。根据第2章图2—5所示的测试电路示意图,我们在PSPICE中使用Schematics原理图输入程序搭建的测试电路如图3-1所示:MicroSimSchematics-[*SCB.$chp.l(stale)]團FAeEdtNavigateViewOptionsAnalysisToolsMarksrsWndowHe^p o«|fflX|D同。I第イノー|f*|0]、|風|Q険|Q|卬・ロ|/||SCB20010526日囲Imヨqi#ivi匚Iトハ<md：DeleteS-scr-switchROFF^OOMegRON=140m<md：DeleteS-scr-switchROFF^OOMegRON=140m5.97,2.48图3—1搭建好的测试电路示意图测试电路中的各个器件的参数设定如下:V_trigger：脉冲电压源,V1=0V,V2=5V,TD=0.19pS,TR=1nS_scr_switch：压控电压源,R0FF=1OOMeg,RON=140m,VOFF=0.1V,VON=2VL_firing_set：发火装置中的电感，值设为160nHCDU：电容,值设为19.081jF,IC=50VR_wire：连接桥和发火装置的线电阻,值设为4.3mL_wire：连接桥和发火装置的线电感,值设为16.7nHX_SCB:半导体桥,将其作为ー个子电路看待由于PSPICE库中没有半导体桥的元件,所以我们先在半导体桥所在的位置替换上一个电阻R_SCBo这样搭建好测试电路,将其命名为SCB.sch先对其进行仿真,这样得到ー个相应于图3-1所示的测试电路的文本描述文件。该文本文件详细内容如下:SchematicsVersion8.0-July1997TueJun0515:22:152001*Analysissetup**.TRAN1ns3us0.19us.OPR_R_wire $N_0002$N_00014.3mL_L_firing_set$N_0003$N_0002160nHC_CDU 0$N_000419.08UIC=50VR_Rinst 0$N_000250L_L_wire $N_0001$N_000516.7nHS_S_scr_switch$N_0003$N_0004$N_00060S_scr_switchRS_S_scr_switch$N_000601G.MODELS_scr_switchVSWITCHRoff=100MegRon=140mVoff=0.1VVon=2VV_V_trigger$N_00060+PULSEOV5V0.19u1nR_SCB 0$N_0005100（这是代替SCB的电阻）*From[SCHEMATICSNETLIST]sectionofmsim.ini:.lib"E:\MSimEv_8\lib\nom.lib".lib"E:\MSimEv_8\lib\Eval.lib".INC"SCB.als".PROBE.END以上是半导体桥测试电路文本描述的详细内容。从中我们可以看到,代替半导体桥的电阻R_SCB是连接在0—5节点间的,则我们再用半导体桥子电路代替这个R_SCB就可以真正完成测试电路的建立工作。3.1.2半导体桥（SCB）子电路为了建立半导体桥的简单模型,我们需要知道半导体桥上

两个密切相关的重要参数一半导体桥电阻和桥上能量之间的关系。而通过前面的分析,我们知道,半导体桥电阻与桥上能量间的关系非常复杂,曲线如图3—2所示。7654320.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Energy(mJ)(aoouejs-63a0图0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Energy(mJ)(aoouejs-63a0如此一来,要想通过简单的公式来描述半导体桥电阻和桥上能量间的关系变得希望渺茫。只好根据实验测得数据中的信息反推出半导体桥的简单模型,完成半导体桥的仿真工作。将半导体桥描述为一个子电路可以采用文本描述的方法。根据前面的讨论,我们将半导体桥子电路作如下描述ル:.SubcktSCB_LE12Params:+Aloss=0.3deltal=1.0V01=35.0+EpioHp=1.9nHscb=0.5MegEpb=0.01Vmon150Gpower0101Value={IF(TIME<.1p,0,l(Vmon)*V(5,2))}Gloss0101+Value={IF(TIME<.1p,0,-Aloss*IF(V(202)<V01-deltal,0.+IF(V(202)>V01+deltal,V(202)/V01-1.0,+(3.*deltal-sqrt(9.*deltal*deltal-(V(202)-V01+deltal)*+(V(202)-V01+deltal)))/V01+))+*l(Vmon)*V(1,2)+)}Eabs2020Value={abs(V(1,2)))Rabs02021.0TGpwdr0101Value={IF(TIME<.1p,0,+IF(V(201)>EpioHp,Hscb*(Epb-V(101)),0)+)}Cenergy10101Renergy10101E12Gignit0201Value={IF(TIME<.1p,0,V(101))}

Cignit20101Rignit20101E12Edet52Value={l(Vmon)*V(301))Eres3010TABLE={V(101))+(-1000,5.06129)+(1.25E-6,5.06129)+(2.5E-6,3.95649)+(3.75E-6,3.47432)+(5E-6,3.08165)+(6.25E-6,2.86042)+(7.5E-6,2.74148)+(8.75E-6,2.62254)+(1E-5,2.50361)+(2.0833E-5,1.58496)……（需要填充数据）+(0.0024,3.52311)+(0.00242,3.88895)+(0.00244,4.34531)+(0.00246,4.84931)+(0.00248,5.75775)+(0.0025,6.69085)+(0.002505,9.00297)+(0.002510,10.48473).Ends以上是将半导体桥描述为子电路的文本文件的详细内容,将这个文本描述文件存为SubCo这时,我们可以对SCB.cir文件作适当的修改:.为了能够使半导体桥子电路在测试电路中应用,首先我们在SCB.cir文件的开头加上:.INC""这样ー来，在SCB.cir中就可以顺利调用半导体桥子电路。.已经可以将开始时代替半导体桥的电阻R_SCB用半导体桥子电路换回。即:将“R_SCB 0$N_0005100”换为“X1 0$N_0005SCB_LE”到这里,可以说半导体桥的简单模型已经加入测试电路,但是子电路描述文件中最后的数据列表不全,这需要我们从实验数据曲线图中找出更多的信息点来补全这个数据表。3.1.3从实验数据中获取信息从半导体桥子电路的描述文件中我们可以发现在后面部分数据表中的数据并不是从ー开始到发火完成以后连续描述的,在中间很大一个范围内数据是空的。因此需要我们从实验数据图中找出更多的桥线电阻与桥上能量的关系数据。我们从图3-2中的曲线上取间隔尽可能小的点,将子电路描述文件后面所空缺部分的数据填充上。此数据表详细内容请见附录203.2对测试电路进行模拟仿真3.2.1电路仿真经过上一节的工作,现在我们应该已经将半导体桥的子电路加入到整个测试电路中,并且已经将数据不全的数据表填充完整,那么我们就可以开始对测试电路进行仿真。使用PSPICEA/D程序打开经过修改的测试电路描述文件SCB.cir,文件打开后PSPICEA/D程序自动开始仿真。仿真结束后,会产生一个名为SCB.dat的数据文件,这是SCB.cir文件中Probe语句的作用,生成的这个SCB.dat文件是供Probe程序读取，用来绘制模拟结果曲线图的。于是我们用Probe程序打开SCB.dat文件。在Probe程序的Trace菜单下点击Add,会发现测试电路中各个节点的相关数据都可以观察,当然我们最关心的就是半导体桥的桥线电阻模拟结果是否与实验结果相合?在测试电路示意图3-1中我们可以观察到,流经半导体桥的电流也就是流经连接线电感的电流,而半导体桥上的电压也就是节点5对地的电压。要考察桥线电阻的数值曲线,我们可以选择观察V($N_0005)/I(L_wire)来达到目的,得到的V($N_0005)/I(L_wire)曲线如图3—3所示。我们可以用图3—3所示的计算机模拟曲线和图3-4中所示的实验数据曲线作一下对比。图3—4是我们将图2—2中的电阻曲线摘出后重绘的。经过比对我们可以看到,模拟出的桥线电阻曲线与实际实验中的桥线电阻曲线相合,这说明半导体桥的简单模型在测试电路中基本可以正常工作图3—3桥线电阻的模拟数据曲线ざー0;!なTime(us)图3—4桥线电阻的实验数据曲线ド面再来观察桥线电压和桥线电流的模拟曲线图3—5桥线电压、桥线电流模拟曲线（#1318）图3—5是桥线电压、桥线电流的模拟曲线图。与实验数据曲线图2—6相对比,可以发现确实在2卩S过后的某ー个时间桥线电压有一个比较大的波动。3.2.2针对不同实验设置的仿真当然我们不能忘记的是,上面观察的两组模拟曲线是针对#1318实验的设置进行的,即CDU=50V,电容值19.081jF。所以我们应当针对其他实验设置进行模拟仿真。不同的实验设置主要表现在电容值不同,CDU上电压值不同。要修改CDU上的电压值，电容值，可以直接修改SCB.cir文本文件中的参数,还要注意模拟分析时间的设定。针对#1334实验,电容值3.38",CDU=50VI模拟曲线如图3—6所示。考虑#1322实验,电容值10.341jF,CDU=90V,模拟曲线如图3—y所示。对于#1335实验,电容值3.38",CDU=28V1模拟曲线如图3—8所ホ。

图3—6桥线电压、桥线电流模拟曲线（#1334）至此,采用了半导体桥简单模型的测试电路已经进行了针对#1318,#1334,#1322,#1335四个不同设置的实验的四次仿真,从仿真结果上看,半导体桥的简单模型基本都可以正常工作。

14MicroSimProbe-[SCB.dat]图3—7桥线电压、桥线电流模拟曲线（#1322）图3—8桥线电压、桥线电流模拟曲线（#1335）3对仿真结果的分析我们以#1318实验为例,对实验中的参数作一些改动,观察这些变化给半导体桥的发火行为带来的影响。#1318实验中的参数是:CDU上电压值为50V,电容值为19.08"。我们现在对CDU上的电压进行调整,先将其调图3—9CDU电压改为80V的#1318实验模拟曲线从图中我们可以看到，CDU的电压变大后,桥的发火时间变短,大约在1pSo将CDU电压调整为100V会发现桥的发火时间更短,不到1pS时桥已经发火。如此可见,若将CDU上电压增大,则桥的发火时间变短。如果将CDU上的电压减小呢?我们将CDU上的电压调整为30V,仿真时间增大到6卩S,观察仿真出的电压电流曲线图,如图3-10所示:

图3—10CDU上电压为30V时的#1318曲线图从图中可以看出,桥的发火时间增大到了3Ps以后。若将CDU上的电压调整为20V,会发现发火时间增大到了将近6|jS,若将CDU上的电压降低为10V时,可以看到仅仅在10pS后的一个时间,有一个电压和电流的波动。如图3—11所示:图3—11CDU为10V时的#1318曲线图

根据#1318实验,CDU上电压值不同,发火时间也不同,我们将CDU上的电压和发火时间绘制成一张图表,如图3-12所示:髓100图3—12髓100图3—12CDU电压与发火时间关系（#1318）CDU电压(V)从图3—12中可以看出,当CDU上电压降低到10V一下,半导体桥的“发火时间”趋于无限长。而CDU上电压增大到100V,发火时间都小于1pSo在图2-11中,绘制了许多不同设置的实验数据关系曲线,针对这些不同的实验设置,我们修改参数并进行仿真,仿真结果如图3-13所示。从图3-13的仿真曲线看,仿真结果与实验结果基本ー致,说明仿真是成功的,半导体桥的模型是适用的。图3-13实验仿真曲线图附录1参考文献、资料及书目[1]K.D.MarxR.W.BickesJr.andD.E.Wackerbarth《CharacterizationandElectricalModelingofSemiconductorBridges》[2]清华大学出版社 高文焕汪蕙著《模拟电路的计算机设计与分析ーーPSPICE程序应用》[3]机械工业出版社 张玉平吴海霞著《通用电路模拟技术ーPSPICEforWindows))[4]天津大学出版社 赵雅兴著《电子线路PSPICE分析与设计》[5]天津大学出版社 赵雅兴著《通用电路模拟器(PSPICE5.0与5.1)》[6]北京理工大学出版社吴丙申卞祖富著《模拟电路基础》附录2从实验数据曲线图（图2—3）中获得的信息点:桥上能量SCB电阻+(4E-5,1.90806)+(6E-5,1.89677)+(8E-5,1.93065)+(0.0001,1.96452)+(0.00012,2.14516)+(0.00014,2.32581)+(0.00016,2.48388)+(0.00018,2.63065)+(0.00020,2.77742)+(0.00022,2.93548)+(0.00024,3.04839)+(0.00026,3.01452)+(0.00028,2.86774)+(0.00030,2.54032)+(0.00032,2.14516)+(0.00034,1.88548)+(0.00036,1.60323)+(0.00038,1.46774)+(0.00040,1.32097)+(0.00042,1.15161)+(0.00044,1.07258)+(0.00046,0.95968)+(0.