Версию статьи, опубликованную в журнале «Компоненты и технологии» №12'2018, вы можете прочитать по ссылке.
Рисунок 1. Диаграмма общего алгоритма работы МРЗ на основе ПАИС
Большинство микросхем не имеет необходимого уровня стойкости к внешним воздействиям, предъявляемого к космическим аппаратам. при этом использование таких микросхем зачастую позволяет существенно повысить технические характеристики аппаратов. В космическом пространстве воздействие радиации на элементы и аппаратуру определяется типом излучения, энергией, интенсивностью и проникающей способностью первичных и вторичных частиц в объем вещества. развитие технологий производства новых материалов дало возможность использовать интегрированные в корпуса экраны радиационной защиты (ЭЗР),чтобы эффективно предохранять электронную аппаратуру от воздействия компонентов (протонов и электронов), относящихся к мягкому излучению. однако невозможно обеспечить достаточную защиту от компонентов с высокой проникающей способностью (гамма-излучение, тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ)), которые способны вызвать тиристорное защелкивание в нестойких узлах или блоках. Одно из решений проблемы применение дополнительных модулей радиационной защиты (МРЗ)
Основной принцип работы МРЗ заключается в следующем:
- Отслеживание заданного интервала значений параметров, которые могут изменяться при воздействии космического излучения
- отключение питания защищаемой группы ИМС при выходе параметров за заданные пределы
- восстановление питания через заданный промежуток времени с момента полного отключения
Для реализации универсального подхода к проектированию МРЗ в короткие сроки и с минимальными затратами предлагается использовать программируемую аналоговую интегральную схему (ПАИС) 5400TP035 . Микросхема выполнена по КМОП КНИ технологии 0,18 мкм и обладает высокой стойкостью к ТЗЧ и накопленной дозе.
Рисунок 2. Рекомендуемая схема включения микросхемы 1393ЕУ014
Реализация алгоритма радиационной защиты в ПАИС
В основе работы МРЗ предлагается использовать универсальный алгоритм (рис.1), в котором возможно изменять набор контролируемых параметров, не подвергая особому изменению основную часть структуры схемы. На первом этапе включается питание, и время задержки T1 дается для установления требуемых параметров ИМС. На втором этапе контролируются запрограммированные пользователем параметры. На третьем этапе осуществляется проверка условий на отклонение значений от требуемых норм.
В качестве защищаемого объекта была выбрана ИМС 1393ЕУ014 которая представляет собой импульсный регулятор напряжения. Типовая схема включения приведена на рис.2. Для реализации МРЗ данной схемы на основе ПАИС 5400TP035 была запрограммирована структурная схема (рис.3).
Диапазон входного напряжения преобразователя на базе 1393ЕУ014 составляет 9–20 В, выходное напряжение устанавливается резистивным делителем. Максимальный выходной ток 2 А. Частота преобразования 260 кГц.
Контроль состояния преобразователя осуществляется по следующим параметрам: входное напряжение на выводе Uвх; ток, втекающий в преобразователь; частота на выводе SW; выходное напряжение на выводе Uвых.
Модуль радиационной защиты должен контролировать перечисленные параметры и при выходе параметров за установленные пределы отключать входное напряжение блока на заданное время. После чего обеспечить включение блока.
Рисунок 5. Диаграмма срабатывания защиты
Рисунок 3. Диаграмма общего алгоритма работы МРЗ на основе ПАИС
Рисунок 4. Упрощенная схема МРЗ на основе ПАИС 5400ТР035
В состав схемы (рис.3) для микросхемы МРЗ на основе ПАИС вошли следующие основные узлы:
На рис.4 представлена электрическая схема включения микросхемы защиты.
- U1 — компаратор датчика тока отслеживает превышение допустимого входного тока нагрузки через низкоомный измерительный резистор R8 (рис.4). К внешним выводам SENSOR+ и SENSOR– подключены резистивные делители R3–R6 (рис.4) для настройки требуемых уровней напряжений.
- U2 — компаратор датчика выходного напряжения сравнивает уровень напряжения 1В+ΔВ (порог) на внешнем выводе COMP_U2 относительно внутреннего напряжения 1 В от источника опорного напряжения (ИОН). К выводу COMP_U2 подключен резистивный делитель R9 и R10 (рис.4) для настройки порога ΔВ. Сигналом индикации при пониженном питании является логическая «1» на выходе компаратора.
- U3 — компаратор датчика входного напряжения сравнивает уровень напряжения 1В+ΔВ на внешнем выводе COMP_U3 относительно внутреннего напряжения 1 В от ИОН. К выводу COMP_U3 подключен резистивный делитель R1 и R2 (рис.4) для настройки порога ΔВ. Сигналом индикации при пониженном питании является логическая «1» на выходе компаратора.
- U4 — компаратор датчика тактового сигнала сравнивает напряжение на внутреннем конденсаторе C1 и дополненном конденсаторе С3, подключенном к внешнему выводу CAP_U4 (рис.4) с опорным уровнем напряжения Ref от встроенного резистивного делителя.
- U5 — компаратор формирует сигналы (TOnOff) включения и отключения контроля состояний датчиков. Время переключения сигналов определяется встроенной RC‑цепью и дополнительным внешним конденсатором C4 (рис.4) на выводе CAP_U5.
- U6 — компаратор формирует сигнал (TSet) включения защиты. Время переключения определяется внутренней RC‑цепью и дополнительным внешним конденсатором С5 (рис.4) на выводе CAP_U6. Сброс осуществляется через n‑канальный МОП‑транзистор.
- U7 — компаратор формирует сигнал (TReset) отключения защиты. Время переключения определяется внутренней RC‑цепью и дополнительным конденсатором С6 (рис.4) на выводе CAP_U7. Управление сбросом осуществляется внутренним сигналом reset триггера U13.
- U8— 4И‑НЕ отслеживает состояние датчиков. Контроль выполняется при логической «1» сигнала TOnOff. Выходы contrU1, contrU2, contrU3 необходимы для определения факта срабатывания защиты по какому-либо из параметров.
- U9 — 2ИЛИ принимает два сигнала от блока U8 и внешний управляющий сигнал OnOff. Формирует управляющий сигнал reset1 для схемы включения защиты (U6).
- U10 — 2ИЛИ принимает сигналы от триггера и внешний управляющий сигнал OnOff. Формирует дополнительный сигнал reset2 для схемы включения защиты (U6) и сигнал на выводе GATE для управления внешним ключом (рис.4)
- U11 — 2ИЛИ принимает сигналы reset1 и reset2. Выход подключатся к n‑канальному МОП‑транзистору схемы включения защиты (U6).
- U12 — ИОН.
- U13 — RS‑триггер принимает сигналы TSet, по которому включается защита, и TReset, по которому сбрасывается в исходное состояние выключая защиту (на прямом выходе «0», на инверсном «1»).
- U14 — 2ИЛИ принимает сигналы TReset и внешний управляющий сигнал OnOff. На выходе формируется сигнал сброса триггера.
Электрическая схема была составлена и предварительно промоделирована в пакете программного обеспечения, прилагаемого к программатору ПАИС 5400ТР035. После программирования выполнена экспериментальная проверка полученной микросхемы.
На рис.5 представлена диаграмма включения защиты нагрузки на примере работы датчика напряжения U2.
В момент включения модуль радиационной защиты дает некоторое время T1, необходимое для полного включения нагрузки. Через период времени T1 сигнал TOnOff переключается в состояние логической «1» и модуль начинает контролировать основные параметры нагрузки, отвечающие за ее работоспособность.
Если у одного из датчиков формируется на выходе логическая «1» (выход компаратора U2) и время длительности сигнала меньше времени реакции T2 (T < T2) (рис.5), то превышение носило кратковременный характер и МРЗ не отреагирует.
Если время превышения равно времени реакции T2 (T=T2) (рис.5), то на выходе TSet (схема включения защиты U6 рис.3) формируется логическая «1», которая устанавливает триггер (внешний выход GATE) и включает защиту. По прошествии времени T3 на выходе TReset (схема выключения защиты U7 рис.3) формируется логическая «1», которая сбрасывает триггер и выключает защиту. Времена T1, T2, T3 задаются пользователем выбором номинала внешних конденсаторов С4–С6.
Ниже приведены результаты измерения реальной модели модуля с запрограммированной схемой защиты (рис.3).
На рис.6 сигнал с выхода contrU2 показывает возникновение сбоя по входному напряжению питания (подсхема U2 рис.3). Сигнал с выхода GATE переключается с логического «0» в логическую «1», тем самым включая защиту. Сигнал с выхода CAP_U6 демонстрирует время включения защиты (настраивается внешним С5 (рис.4) и внутренним С3 (рис.3) конденсаторами). Сигнал с выхода CAP_U7 показывает длительность защиты (настраивается внешним С6 (рис.4) и внутренним C4 (рис.3) конденсаторами).На рис.6а время включения равно длительности защиты, а на рис.6б уменьшено время включения, но увеличена длительность защиты.
Рис 6. Экспериментальное моделирование случаев возникновения нескольких сбоев в режимах работы защищаемой ИМС:
а) время включения равно длительности защиты; б) время включения уменьшено, а длительность защиты увеличена
Если же сбой в одном или нескольких параметрах не устраняется, то возможно с помощью внешнего сигнала, подаваемого на вы‑вод OnOff (рис.7), отключить систему контроля и включить принудительно защиту на длительное время. Сигнал на входе COMP_U2 (рис.7) (после резистивного делителя R9, R10 (рис.4)) демонстрирует перепад входного напряжения, который сравнивается с напряжением ИОН на входах компаратора U2 (рис.3).
Как показало экспериментальное исследование, запрограммированная в ПАИС 5400ТР035 схема МРЗ DC/DC‑преобразователя 1393ЕУ014 реализует заложенный алгоритм защиты. Для защиты других классов устройств при необходимости достаточно перепрограммировать ПАИС. При этом возможны включение или исключение дополнительных параметров, а также некоторая модификация алгоритма защиты.
Рисунок 7. Принудительное включение защиты сигналом OnOff
Заключение
МРЗ на базе 5400ТР035 может быть запрограммирован на контроль параметров защищаемых произвольных блоков. При этом программирование происходит на стороне разработчика с использованием программатора и программного обеспечения, включающего возможность моделирования и автоматической трассировки. С использованием предложенного подхода стоимость разработки и время изготовления МРЗ существенно уменьшается. Построение МЗР на базе 5400ТР035 успешно апробировано на примере блока импульсного понижающего DC/DC‑регулятора 1393ЕУ014.
Литература
- Василенков Н., Максимов А., Грабчиков С., Ластовский С. Специализированные радиационнозащитные корпуса // Электроника: НТБ. 2015. No 4.
- Федоров Р. А. Микросхема управления модулем радиационной защиты // Нано и микросистемная техника. 2014. No 6.
- Федоров Р. А., Коняхин В. В. Микросхема защиты от тиристорного эффекта, Материалы конференции Intermatic‑2016.
- RC15‑460 Микросхема радиационной защиты. НПК «Технологический центр». www.asic.ru
- Эннс В. В., Кобзев Ю. М., Корепанов И. В. Программируемая аналоговая микросхема КомПАС‑1 (5400TP035) — основные характеристики и особенности применения// Электроника НТБ. 2016. No 7.
- Эннс В. В., Кобзев Ю. М., Корепанов И. В. Разработка типовых решений аналоговой обработки с помощью программируемой пользователем аналоговой микросхемы КомПАС‑1 // Компоненты и технологи. 2016. No 12.
- Контроллер 1393ЕУ014 понижающего импульсного преобразователя напряжения с интегрированным силовым ключом.