МИКРОСХЕМА РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Настоящая полезная модель относится к области защиты интегральных микросхем от тяжелых заряженных частиц. Наиболее эффективно полезная модель может быть использована в микросхемах космического применения.
Из существующего уровня техники известна интегральная схема защиты от тиристорного эффекта, которая помещается в один корпус с защищаемой схемой [1]. Недостатком данного технического решения является защита только схем, находящихся в одном корпусе с данной схемой защиты, и невозможность защиты отдельных микросхем и их групп.
Известны микросхемы LTC1153 производства Linear Technology [2] и SELPB производства Aurelia Microelettronica [3], используемые в космической отрасли.
Общим недостатком известных решений является отсутствие в схеме средства, позволяющего отключать питание электронной аппаратуры по таймауту, при зависании.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка микросхемы радиационной защиты (МРЗ) для предохранения электронной аппаратуры за счет автоматического отключения питания на заданный интервал времени при превышении заданной величины времени отклика (по таймауту) с возможностью автоматического включения (подачи питания на нагрузку).
Техническим результатом от использования является повышение надежности защиты от зависаний во внештатных ситуациях путем перезагрузки микросхем, находящихся в нагрузке, в автоматическом режиме.
Технический результат достигается тем, что микросхема радиационной защиты, выполненная в кристалле полупроводника, включает схему управления защитой по току и супервизор питания, подключенные выходами к входам триггеров и логических элементов, а также выходы телеметрии (Alarm, WD_St, Compare), формирующие телеметрические сигналы и являющиеся выходами логических элементов, вход внешнего управления, выходы программирования времен срабатывания защиты (Cap_LP, Cap_WD), отличающаяся тем, что она содержит сторожевой таймер, входы которого подключены к двум триггерам Шмидта, а выходы к триггерам, формирующим выходные сигналы.
В частном случае к выводу Cap_LP микросхемы радиационной защиты подключен внешний конденсатор, от емкости которого зависит время срабатывания защиты. Время может быть установлено в диапазоне от 500 мкс до 100 мс.
В частном случае к выводу Cap_WD микросхемы радиационной защиты подключен внешний конденсатор, от емкости которого зависит время срабатывания сторожевого таймера. Время может быть установлено в диапазоне от 0,25 мс до 3 с.
Вход внешнего управления представляет собой цифровой вход с подтяжкой к плюсовому проводу питания с триггером Шмидта.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 - упрощенная схема микросхемы радиационной защиты.
На фиг.2 - пример временной диаграммы работы МРЗ при защите от тиристорного защелкивания.
На фиг.3 - пример временной диаграммы при таймауте сторожевого таймера.
Пример реализации полезной модели приведен на фиг.1. Микросхема радиационной защиты выполнена в кристалле полупроводника и включает схему управления защитой по току, супервизор питания, подключенные выходами к входам триггеров и логических элементов, а также выходы телеметрии (Alarm, WD_St, Compare), формирующие телеметрические сигналы и являющиеся выходами логических элементов, вход внешнего управления, выходы программирования времен срабатывания защиты (Cap_LP, Cap_WD). При этом она содержит сторожевой таймер, входы которого подключены к двум триггерам Шмидта, а выходы к триггерам, формирующим выходные сигналы.
К выводу Cap_LP подключен внутренний конденсатор С1, который устанавливает минимальное время срабатывания защиты равным 500 мкс. А к выводу Cap_WD подключен внутренний конденсатор С2, который устанавливает минимальное время срабатывания сторожевого таймера равным 0,25 мс.
Пример 2 выполняется как пример 1, но к выводу Cap_LP подключен внешний конденсатор для установки нужного времени срабатывания защиты в диапазоне от 500 мкс до 100 мс.
Пример 3 выполняется как пример 1, но к выводу Cap_WD подключен внешний конденсатор для установки нужного времени срабатывания сторожевого таймера в диапазоне от 0,25 мс до 3 мс.
U1 (супервизор питания) - предназначен для отслеживания уровня напряжения питания на выводе Vdd_C и формирования сигнала сброса (Power-On-Reset, POR) всех внутренних узлов МРЗ. Сигнал POR становится активным также по сигналу POff.
U2 (схема сравнения) - определяет факт превышения допустимого тока, потребляемого защищаемой группой микросхем (ЗГМ) и по этому событию выдает сигнал Compare 1. Превышение допустимого порога тока потребления фиксируется по уровню напряжения на внешнем низкоомном измерительном резисторе, включенном между входами Sense+ и Sense-.
U3 (логический элемент ИЛИ) - совместно с транзистором VT1 предназначен для выдачи на внешний вывод Compare (типа «открытый сток») сигналов Compare 1 или Compare 2 (логическая единица любого из этих сигналов формирует низкий логический уровень на выводе Compare). Ключ в цепи стока VT1 размыкается высоким уровнем сигнала POff, обеспечивая 3-е логическое состояние выхода Compare при активном внешнем сигнале PWoff
U4 (триггер Шмидта) - предназначен для формирования внутреннего сигнала POff и выключения питания нагрузки по внешнему управляющему сигналу PWoff. Активный уровень сигнала PWoff - низкий. Вход имеет встроенную подтяжку к напряжению питания Vddc и может оставаться неподключенным.
U5 (триггер включения защиты от тиристорного защелкивания) - предназначен для формирования сигнала автоотключения нагрузки. Логическая единица на выходе триггера означает отключение питания нагрузки. Триггер устанавливается по сигналу Tprot и сбрасывается по сигналам POR или Trec.
U6 (логический элемент ИЛИ-НЕ) - совместно с транзистором VT2 предназначен для формирования сигнала на выводе Gate (типа «открытый сток»), который управляет внешним ключом (биполярным pnp или p-канальным МОП транзистором), коммутирующим питание нагрузки. Управление производится любым из трех сигналов AutOff, WDOff или POff. Логическая единица любого из этих сигналов приводит к высокому уровню на выводе Gate, что соответствует «размыканию» внешнего ключа и отключению питания нагрузки.
U7 (генератор) - предназначен для выработки тактовой частоты схемы управления защитой по току. Частота генератора задается встроенным конденсатором С1. Кроме этого, генератор имеет вывод Cap_LP для подключения внешнего конденсатора, выбор которого позволяет задать требуемую частоту генератора и, таким образом, скорость реакции МРЗ на возникновение тиристорного эффекта. Активный уровень сигнала POR блокирует работу генератора.
U8 (схема управления защитой по току) - формирует сигналы отключения и включения питания нагрузки в соответствии с уровнем и длительностью сигнала Compare 1 от схемы сравнения и в зависимости от частоты генератора U7. Схема управления сбрасывается сигналом POR, во время активного состояния которого сигналы на выходе U8 имеют пассивный уровень. Схема выдает три сигнала: Tprot (для включения защиты по току, т.е. отключения питания нагрузки), Tshort (для включения дополнительного уровня защиты) и Trec (для отключения защиты, т.е. восстановления питания нагрузки).
U9 (триггер включения дополнительного уровня защиты от тиристорного защелкивания) - предназначен для формирования сигнала включения дополнительного уровня защиты от тиристорного защелкивания. Триггер устанавливается сигналом Tprot и сбрасывается сигналами POR или Trec.
U10 (логический элемент ИЛИ-НЕ) - формирует сигнал включения дополнительного уровня защиты по состоянию триггера U9 или сигнала от сторожевого таймера WDShort. На выходе U10 будет сигнал низкого уровня, если хотя бы один из входных сигналов имеет уровень логической единицы.
U11 (логический элемент ИЛИ-НЕ) - предназначен для блокировки сигнала дополнительного уровня защиты активным уровнем сигнала POR или пассивным уровнем сигнала отключения питания нагрузки с выхода U6. Сигнал дополнительного уровня защиты Alarm может иметь активный (высокий) уровень, только если одновременно будут иметь низкий логический уровень сигналы: на выходе U6 (питание нагрузки отключено), на выходе U10 (есть необходимость включения дополнительного уровня защиты по току или по таймауту сторожевого таймера) и сигнал POR (отсутствует сброс по включению питания). Ключ на выходе U11 отсоединяет его от вывода Alarm при высоком уровне сигнала POff, обеспечивая 3-е логическое состояние.
U12 (триггер Шмидта) - предназначен для формирования сигнала сброса триггеров U13 и U16 по внешнему управляющему сигналу Control. Активный уровень внешнего сигнала Control - низкий. Вход имеет встроенную подтяжку к напряжению питания Vddc (благодаря резистору Rwpu, но подтяжка отключается при активном уровне сигнала POff).
U13 (триггер фиксации факта срабатывания защиты от тиристорного защелкивания) - предназначен для формирования сигнала Compare2. Триггер устанавливается сигналом Tprot и сбрасывается сигналом POR или внешним сигналом Control.
U14 (триггер Шмидта) - предназначен для формирования сигнала разрешения работы сторожевого таймера по внешнему управляющему сигналу WD_En. Активный уровень внешнего сигнала WD_En - низкий. Вход имеет встроенную подтяжку к напряжению питания Vddc (благодаря резистору Rwpu, но подтяжка отключается при активном уровне сигнала POff).
U15 (логический элемент ИЛИ) - предназначен для формирования сигнала WDTDis (блокировки работы сторожевого таймера) в зависимости от состояния сигнала на выходе U14 и сигнала AutOff. Если хотя бы один из входных сигналов U15 имеет высокий логический уровень, WDTDis тоже будет иметь высокий уровень и блокировать работу генератора сторожевого таймера и самого сторожевого таймера.
U16 (триггер фиксации факта таймаута сторожевого таймера) - совместно с VT3 предназначен для формирования внешнего сигнала WD_St (типа «открытый сток»). При срабатывании сторожевого таймера триггер устанавливается в состояние логической единицы сигналом Tout и формирует на выходе WD_St активный низкий уровень. Сброс триггера и сигнала WD_St осуществляется сигналом POR или внешним сигналом Control.
U17 (генератор) - предназначен для выработки тактовой частоты для сторожевого таймера. Частота генератора задается встроенным конденсатором С2. Кроме этого генератор имеет вывод Cap_WD для подключения внешнего конденсатора, выбор которого позволяет задать требуемую частоту генератора и, таким образом, время таймаута сторожевого таймера. Активный уровень сигнала POR и сигнала WDTDis блокируют работу генератора.
U18 (сторожевой таймер) - предназначен для формирования сигналов включения и отключения питания нагрузки при таймауте сторожевого таймера. На вход сторожевого таймера поступают: сигнал запрета работы сторожевого таймера WDTDis (запрет работы сторожевого таймера при высоком уровне на внешнем входе WD_En или активном сигнале AutOff, т.е. при срабатывании защиты от тиристорного защелкивания), сигнал сброса по включению питания POR, сигнал сброса сторожевого таймера по фронту внешнего сигнала WDTRes и сигнал с тактового генератора U17. При отсутствии в течении времени таймаута любого из трех сигналов WDTDis, POR или WDTRes наступает событие таймаута и на выходе сторожевого таймера формируются сигналы Tout (для установки триггера U16), WDOff (для формирования сигнала отключения питания нагрузки на заданное время по таймауту сторожевого таймера) и WDAlar (для формирования сигнала включения второго уровня защиты на заданное время по таймауту сторожевого таймера).
U19 (триггер Шмидта) - предназначен для формирования сигнала периодического сброса сторожевого таймера WDTRes по внешнему управляющему сигналу WDI. Вход WDI имеет встроенную подтяжку к напряжению питания Vddc (благодаря резистору Rwpu, но подтяжка отключается при активном уровне сигнала РОff). Для периодического сброса сторожевого таймера следует подавать на вход WDI импульсный сигнал с периодом меньшим, чем время таймаута сторожевого таймера.
Микросхема радиационной защиты работает следующим образом.
При превышении током нагрузки порогового значения, заданного номиналом резистора датчика тока между входами Sense+ и Sense-, схема сравнения формирует высокий уровень сигнала Compare 1 на входе схемы управления защитой по току. Установка сигнала Compare 1 вызывает немедленное появление низкого уровня на выходе Compare, что может быть использовано для проверки правильности выбора порога срабатывания по току.
prot
1
prot
prot
2
prot
prot
Если длительность сигнала Compare 1 не превышает время t, (в примере на ФИГ.2: t<t) ничего не происходит, и при снижении тока до порога отпускания сигнал Compare 1 снимается и МРЗ возвращается в исходное состояние. Если длительность сигнала Compare 1 превышает t, (в примере на ФИГ.2: t>t) схема управления выдает импульсный сигнал T, который взводит триггеры U5 и U13. Сигнал AutOff c выхода триггера U5 отключает питание от нагрузки (высокий уровень сигнала на выходе Gate, см. ФИГ.2) и блокирует сторожевой таймер, который сбрасывается в исходное состояние вне зависимости от предыдущего состояния. Сигнал Compare 2 с выхода триггера U13 удерживает на низком уровне выходной сигнал Compare до тех пор, пока триггер U13 не будет сброшен внешними сигналами Control, PWoff или сбросом по питанию.
prot
Через время, равное Tprot (в примере на ФИГ.2: t3=tprot) схема управления выдает импульсный сигнал T, который взводит триггер U9, высокий уровень с выхода которого подается на внешний вывод Alarm, используемый для включения дополнительного уровня защиты.
rec
4
prot
rec
prot
prot
5
prot
По истечение времени t (в примере на ФИГ.2: t=32 t=t) с момента отключения питания нагрузки, схема управления формирует импульсный сигнал Trec, который сбрасывает триггеры U5 и U9, восстанавливая, таким образом, нормальное питание нагрузки (низкий уровень сигналов Gate и Alarm, ФИГ.2). На этом цикл защиты от тиристорного защелкивания заканчивается. При включении питания нагрузки возможен бросок тока потребления, превышающий порог срабатывания схемы сравнения и обусловленный зарядом конденсаторов фильтра питания. Чтобы это процесс не вызвал ложного срабатывания защиты от тиристорного защелкивания, следует надлежащим образом выбирать t, т.е. так, чтобы длительность пика тока потребления была меньше t (в примере на ФИГ.2: t<t).
При низком уровне на внешнем входе WD_En разрешается работа сторожевого таймера МРЗ. Все остальные состояния входа (высокий логический уровень или обрыв) блокируют работу сторожевого таймера. Работа сторожевого таймера блокируется также при срабатывании защиты от тиристорного защелкивания.
6
wdt
7
wdt
Будучи включен, сторожевой таймер ожидает импульсного сигнала по входу WDI и сбрасывается по каждому фронту этого сигнала. Если период сигнала не превышает twdt (в примере на ФИГ.3: t<t), то таймаут сторожевого таймера не наступает, в противном случает сторожевой таймер срабатывает (в примере на ФИГ.3: t=t), выполняя цикл отключения нагрузки по таймауту.
При срабатывании сторожевого таймера выдается импульсный сигнал Tout и устанавливается высокий уровень сигнала WDOff. Сигнал WDOff отключает питание от нагрузки высоким уровнем на выходе Gate. Сигнал Tout также устанавливает триггер U16, обеспечивая низкий уровень на внешнем выходе WD_St, что сигнализирует об имевшем место таймауте. Высокий уровень данного выхода может быть восстановлен только подачей низкого логического уровня на вход Control, или на вход PWoff, или сбросом по питанию.
wdt
8
wdt
По истечение времени t с момента срабатывания сторожевого таймера на выходе схемы управления появляется высокий уровень сигнала WDAlar, который используется для формирования высокого уровня выходного сигнала включения дополнительного уровня защиты Alarm (в примере на ФИГ.3: t=t).
9
wdt
Длительность отключения питания нагрузки равна 2twdt (в примере на ФИГ.3: t=2t) с момента срабатывания сторожевого таймера. После этого сигналы WDOff и WDAlar возвращаются в низкий уровень, таким образом питание нагрузки восстанавливается и дополнительная защита отключается.
prot
prot
5
prot
По аналогии с восстановлением питания после защиты от тиристорного защелкивания, при включении после цикла таймаута возможен бросок тока потребления, превышающий порог срабатывания схемы сравнения и обусловленный зарядом конденсаторов фильтра питания. Чтобы это процесс не вызвал ложного срабатывания защиты от тиристорного защелкивания, следует надлежащим образом выбирать t, т.е. так, чтобы длительность пика тока потребления была меньше t (в примере на ФИГ.3: t<t).
wdt
10
wdt
Если на вход WDI по-прежнему не поступает периодический сигнал сброса, то цикл отключения по таймауту повторится через t (в примере на ФИГ.3: t=t).
Появление высокого уровня на внешнем входе WD_En в любой момент работы сторожевого таймера, приводит к его сбросу и выключению (т.е. производит немедленное восстановление питания нагрузки), но не влияет на низкий уровень сигнала WD_St, высокий уровень которого может быть восстановлен только подачей низкого логического уровня на вход Control, или на вход PWoff, или сбросом по питанию.
Приложение. Расшифровка сокращений, используемых при описании выводов и сигналов МРЗ.
Выводы микросхемы:
Sense+ - прямой вход схемы сравнения для подключения датчика тока
Sense- - инверсный вход схемы сравнения для подключения датчика тока
Gate - выход управления внешним ключом питания нагрузки
Alarm - выход управления дополнительным уровнем защиты
PWoff - вход внешнего управления питанием нагрузки
Compare - выход, отображающий состояние схемы сравнения или факт срабатывания защиты от тиристорного защелкивания
WD_St - выход, отображающий факт срабатывания защиты по таймауту сторожевого таймера
GND - выводы для подключения общего провода источника питания
Control - вход сброса сигналов Compare (срабатывания защиты от тиристорного защелкивания) и WD_St (срабатывания защиты по таймауту сторожевого таймера)
WDI - вход периодического сброса сторожевого таймера
WD_En - вход включения сторожевого таймера
Cap_WD - вывод подключения внешнего конденсатора, задающего частоту генератора для синхронизации сторожевого таймера
Cap_LP - вывод подключения внешнего конденсатора, задающего частоту генератора для синхронизации схемы управления защитой от тиристорного защелкивания
GND - выводы для подключения общего провода источника питания
Vdd_C - вывод для подключения внешнего конденсатора защиты по питанию (катод внутреннего диода)
Vdd - вывод для подключения «плюса» источника питания (анод внутреннего диода)
Внутренние сигналы:
POR (Power-on-Reset), POff - Сигналы сброса всех внутренних узлов МРЗ.
Comparel - сигнал факта превышения допустимого порога потребляемого тока.
Compare 2 - сигнал факта срабатывания защиты от тиристорного защелкивания.
Tprot - сигнал включения защиты по току, т.е. отключения питания нагрузки.
Tshort - сигнал включения дополнительного уровня защиты.
Trec - сигнал отключения защиты, т.е. восстановления питания нагрузки.
Tout - сигнал для установки триггера U16.
WDshort - сигнал для формирования сигнала включения второго уровня защиты на заданное время по таймауту сторожевого таймера.
WDTDis - сигнал запрета работы сторожевого таймера.
WDTRes - сигнал сброса сторожевого таймера по фронту внешнего сигнала.
WDOff - сигнал для формирования сигнала отключения питания нагрузки на заданное время по таймауту сторожевого таймера
Используемые источники
1. US 6064555A, опубл. 16.05.2000 г., МПК H01L 21/78.
2. Linear Technology. LTC1153 Auto-Reset Electronic Circuit Breaker. URL cds.linear.com/docs/Datasheet/lt1153.pdf.
3. Aurelia Microelettronica. SELPB Single Event Latch-Up Protector. URL:www1.caen.it/micro/syproduct.php?fam=asics_space&mod=SELPB.