СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЦЕПЕЙ С ТРЕХКРАТНЫМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ ПОСЛЕ ОТКАЗОВ
METHOD FOR SWITCHING CIRCUITS WITH TRIPLE REDUNDANCY AFTER FAILURES

Техническое решение относится к системам управления резервированием и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости на всем жизненном цикле устройств с трехкратным резервированием.
Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) всё больше проникает в жизнь общества. При недостаточном внимании к повышению надежности и помехозащищенности РЭА общество становится все более зависимым от неё. Это создает неудобства и проблемы для обычной РЭА и совершенно недопустимо для критичной РЭА, например в транспортной, атомной и военной отраслях. Широко известным и распространенным путем повышения надежности является холодное резервирование, когда при выходе из строя функционирующей цепи подается питание на другую, и функционирует уже она. При штатной работе РЭА резервные устройства не используются, но кратно увеличивают массу, размеры и стоимость РЭА. Защита от кондуктивных воздействий обычно достигается за счет включения помехозащитных устройств, а от излучаемых - за счет экранирования, что также увеличивает массу, размеры и стоимость РЭА, но часто неприемлемо: например, в космических аппаратах, подводных лодках и при массовом производстве соответственно.
Известны ряд способов трехкратного резервирования цепей [Шарафутдинов В.Р., Газизов Т.Р., Анализ способов резервирования на основе модальной фильтрации, Системы управления, связи и безопасности, №3, С. 117-144, 2019], например, включающий взаимное расположение резервируемой и резервных цепей, компоновку и трассировку резервируемой и резервной плат, когда опорный проводник выполнен в виде отдельных слоев на резервируемой и резервной платах, резервируемая и резервная платы склеиваются слоем диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью, большей, чем у диэлектрических подложек резервируемой и резервной плат. Техническим результатом является трехкратное резервирование с уменьшением восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям. В случае выхода из строя резервируемой цепи и переключения на одну из резервных, уровень кондуктивных эмиссий на выходе цепи изменяется по разному в зависимости от выбранной резервной цепи. Таким образом, актуально повышение надежности и помехозащищенности РЭА за счет выбора порядка переключения в структурах с трёхкратным резервированием цепей.
Наиболее близким по техническому решению является выбранный за прототип обычный способ переключения холодного резервирования после отказов [Q. Zhai, L Xing, R. Peng, Reliability analysis of cold standby system with scheduled backups, 2015 Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), pp. 1-6, 2015.], когда после выхода из строя резервируемой цепи подается питание на любую резервную, и функционирует уже она. Недостатком этого способа является высокая восприимчивость резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и высокий уровень кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи после отказа и переключения в структуре с трехкратным резервированием.
Предлагается способ переключения цепей с трехкратным резервированием после отказа, при котором после отказа резервируемой цепи происходит переключение на свободную резервную цепь, отличающийся переключением на резервную цепь, у которой ослабление кондуктивных эмиссий больше, чем у остальных.
Технический результат - уменьшение восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уровня кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи в структуре с трехкратным резервированием с учетом последовательных отказов.
Технический результат достигается за счет того, что помеховый импульс, длительность которого меньше минимальной разности задержек мод в структуре многопроводной линии, образованной четырьмя проводниками резервируемой и резервных цепей, подвергается модальным искажениям: разложению на импульсы меньшей амплитуды (при рассмотрении сигнала во временной области). При этом после последовательных отказов и переключения на резервную цепь, напряжения каждого из импульсов изменяются по разному и влияют на максимальное напряжение. Это реализуется в структуре с трехкратным резервированием цепей.
Фиг 1. Поперечное сечение для моделирования структуры с трехкратным резервированием с опорным проводником сверху и снизу, где П(1-4) - проводник, О - опорный проводник.
Фиг. 2. Принципиальная схема для моделирования структуры, где 2-9 - узлы.
Фиг. 3. Варианты выбора активного проводника после последовательных отказов на одном из концов активного проводника для структуры c трехкратным резервированием.
Фиг. 4. Зависимости максимальных напряжений на выходе резервируемой цепи от номера отказа для каждого из вариантов переключения.
Достижимость технического результата продемонстрирована на примере распространения импульсной помехи с ЭДС 2 В с длительностями фронта, спада и плоской вершины по 100 пс в структуре с трёхкратным резервированием с опорным проводником сверху и снизу общей длиной 0,5 м с учетом последовательных отказов.
w
t
h
h
1
2
r
1
r
2
Геометрические параметры структуры (Фиг. 1.): ширина проводника = 260 мкм, толщина проводника = 135 мкм, толщины диэлектриков  = 200 мкм, = 400 мкм, а относительные диэлектрические проницаемости ε = 10,2, ε = 4,3.
R
R
R
R
R
R
Принципиальная схема для моделирования структуры представлена на Фиг. 2. Сопротивления резисторов 1 - 8 до отказов выбраны равными 50 Ом (для сохранения согласования структуры с трактом). В случае последовательных отказов каждой защищаемой схемы предполагается, что устройство переключения (УП) передает функции резервированной цепи резервной. При моделировании номиналы резисторов 1 и 2 для активного проводника принимаются равными 50 Ом. Номиналы резисторов 3 - 8 для пассивных проводников были задавались на 50 Ом, а также 1 МОм (холостой ход) и 1 мкОм (короткое замыкание) для имитации различных вариантов отказов.
На Фиг. 3 представлены варианты выбора активного проводника после последовательных отказов на одном из концов активного проводника для структуры c трехкратным резервированием. После отказа 1 можно переключиться на любой из трех свободных проводников, но у них будут различные характеристики. Таким образом, после отказа 1 появляются три варианта переключения. После отказа 2, для каждого из трех вариантов остаются два свободных проводника, на которые можно переключиться. А после отказа 3 можно переключиться на последний проводник. Например, пройдем по варианту 1 после отказов. После отказа 1 на одном из концов активного проводника П1 происходит переключение на проводник П2, при этом выходные характеристики изменятся. После отказа 2 можно переключиться либо на П3 (вариант 1.1) либо на П4 (вариант 1.2). Но, как видно из Фиг. 1, характеристики будут одинаковы для этих вариантов. А после отказа 3 для вариантов 1.1 и 1.2 можно переключиться либо на П4 либо на П3, соответственно, но выходные характеристики будут одинаковы (Фиг. 1). Таким образом, есть три варианта переключения после отказов, а отказ 3 не влияет на порядок переключения, как видно из Фиг 1, так как структура симметрична.
Импульсная помеха с ЭДС 2 В подавалась между резервируемой трассой (активный проводник) и опорным проводником (Фиг. 2). Отметим, что из-за симметрии структуры исследуются только те формы напряжений, которые не идентичны при различных вариантах отказов. Так, например, формы напряжений при активном проводнике П1 при 50-50 (на ближнем-на дальнем концах на П2), 50-50 (на ближнем-на дальнем концах на П3), 50-50(на ближнем-на дальнем концах на П4)идентичны формам напряжений при активных проводниках П2, П3, П4, как видно из Фиг. 1. Также формы напряжений идентичны, если граничные условия на пассивных проводниках при различных вариантах отказа симметричны. Например, форма напряжения варианта 50-50 на П2, 50-КЗ на П3, ХХ-50 на П4 идентична 50-50 на П2, КЗ-50 на П3, 50-ХХ на П4 и т.д.
На Фиг. 4приведены зависимости максимальных напряжений на выходе резервируемой цепи от номера отказа для каждого из вариантов переключения. Максимальное напряжение на дальнем конце активного проводника до отказов равно 0,243 В. Для вариантов 1, 2, 3 после отказа 1 наблюдается увеличение максимального напряжения до 0,293 В, 0,294 В и 0,271 В, соответственно. А после отказа 2 - до 0,347 В, 0,328 В и 0,327 В, соответственно. После отказа 3 наблюдается увеличение максимального напряжения до 0,383 В, но порядок переключения не влияет на этот уровень. Таким образом, для данной структуры оптимален вариант 3 (с порядком переключения проводников 1-4-2-3 или 1-4-3-2), так как значения максимального напряжения после отказов 1 и 2 минимальны из всех вариантов и равны 0,271 В и 0,327 В. То есть, уровень кондуктивных эмиссий уменьшается с 1 В (половина ЭДС) до 0,243 В до отказов и до 0,271 В, 0,327 В, 0,383 В после отказов 1, 2, 3, соответственно.
Результаты моделирования показывают, что предлагаемый способ переключения трехкратного резервирования цепей после отказов позволяет уменьшить восприимчивость резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уровень кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи после последовательных отказов. Таким образом, технический результат достигается.