eng
Описаны принцип действия, структура и схема включения микросхемы защиты от тиристорного эффекта, предназначенной для аппаратуры космического назначения.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.32.41
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.32.41
Теги: protection microchip radiation resistance thyristor effect микросхема защиты радиационная стойкость тиристорный эффект
При создании оборудования космического назначения остро стоит вопрос снижения рисков отказа аппаратуры из-за воздействия внешних космических факторов. Высокая стоимость устройств предъявляет особые требования к их надежности. На первый план вышла задача по увеличению сроков эксплуатации космических аппаратов с нынешних 3–5 до 10–12 лет при размещении радиоэлектронной аппаратуры не в гермоконтейнере, а на открытой платформе [1]. В условиях радиационного облучения наиболее опасное воздействие на микросхемы оказывает эффект тиристорной защелки, который обусловлен возникновением паразитных биполярных транзисторов на основе КМОП-структур, образующих паразитный тиристор. Определенные внешние факторы, в частности воздействие тяжелых заряженных частиц, могут приводить к отпиранию и фиксации этого тиристора в открытом состоянии, что вызывает быстрое нарастание тока потребления с последующим тепловым разрушением микросхемы [2–4].
На основе унифицированной библиотеки ячеек базовых кристаллов серий 5521 и 5529 в НПК "Технологический центр" разработана микросхема защиты от возникновения тиристорного эффекта в КМОП-структурах. Микросхема выполнена в двух модификациях: 1469ТК025, изготовленная по КМОП-технологии "кремний на изоляторе" с топологическими нормами 0,25 мкм, и 1469ТК035, изготовленная по радиационно-стойкой КМОП-технологии объемного кремния с топологическими нормами 0,18 мкм. Ток потребления составляет не более 1 мА при напряжении питания 3,3 В ± 10%. Каждая микросхема содержит внутренний силовой ключ с максимальным рабочим током до 500 мА для 1469ТК025 и 1 000 мА для 1469ТК035. Температурный диапазон работы: от –60 до + 85 °C. Обе микросхемы разрешены для применения в аппаратуре специального назначения [5, 6].
Принцип действия основан на контроле тока потребления защищаемых элементов. Микросхема в автоматическом режиме отслеживает превышение заданного порога напряжения на внешнем резистивном шунте, встроенном в цепь питания защищаемых микросхем. При превышении током потребления порога срабатывания включается режим ограничения тока в нагрузку. Если произошло уменьшение тока нагрузки и восстановление штатного режима, то ограничение снимается и восстанавливается питание защищаемых элементов. В противном случае микросхема полностью отключает питание защищаемых микросхем и через заданный интервал времени снова восстанавливает его.
Дополнительно в микросхеме реализован блок сторожевого таймера, который предотвращает зависание системы. При разрешенной работе сторожевого таймера микросхема отслеживает наличие импульсов на его входе. В случае отсутствия импульсов в течение заданного времени микросхема выключает питание защищаемых микросхем. Временные параметры работы сторожевого таймера задаются внешними элементами.
Для индикации срабатывания защиты от тиристорного защелкивания и перехода сторожевого таймера в режим ожидания предусмотрены дополнительные выводы. Установка задержек срабатывания защиты по току и сторожевого таймера осуществляется путем выбора значений емкостей внешних конденсаторов, которые определяют частоту соответствующих генераторов, реализованных в микросхеме.
Рекомендуемая схема включения микросхемы представлена на рис.1, где: Rизм – низкоомный резистор, предназначенный для отслеживания уровня потребляемого нагрузкой тока; Rн, Cн – эквивалентная нагрузка; C1 – керамический или полярный электролитический конденсатор, заряд которого обеспечивает нормальное функционирование микросхемы во время нарушения работы основного источника питания VDD; С2 – керамический конденсатор, емкость которого определяет частоту тактового генератора, синхронизирующего работу схемы управления защитой от тиристорного защелкивания; C3 – керамический конденсатор, емкость которого определяет частоту тактового генератора сторожевого таймера; C4 – конденсатор емкостью 2 нФ, предназначенный для подавления высокочастотных помех на затворе внутреннего силового ключа.
Ток срабатывания защиты IСРАБ определяется номиналом внешнего токосъемного резистора RИЗМ и рассчитывается по формуле:
form01.ai.
Предусмотрена возможность внешнего управления микросхемой с помощью выводов PWoff, Control и WD_En.
Микросхема имеет два информационных выхода, позволяющих внешним системам управления фиксировать наличие события срабатывания защиты от тиристорного защелкивания (выход Compare) и окончание времени ожидания сторожевого таймера (выход WD_St).
Функциональная блок-схема микросхемы приведена на рис.2. В состав микросхемы входят следующие основные узлы: COMP1 – компаратор питания, отслеживающий превышение напряжения на выводе Vdd_C относительно напряжения на выводе Vdd; ТН2 – супервизор питания на выводе Vdd; ТН1 – супервизор питания на шине Vdd_C; COMP2 – компаратор; OU1 – усилитель; G1 – генератор тактовой частоты схемы управления, частота которого задается встроенным в микросхему резистором и внешним конденсатором, подключаемым к выводу Cap_LP; G2 – генератор тактовой частоты схемы сторожевого таймера, частота которого задается встроенным в микросхему резистором и внешним конденсатором, подключаемым к выводу Cap_WD; CO – цифровая часть микросхемы.
Порог срабатывания, отпускания и режим ограничения по току схемы защиты можно проверить при остановленных генераторах G1 и G2 путем замыкания выводов Cap_LP и Cap_WD на "Общий 0 В". Работу компаратора COMP2 при этом можно наблюдать на выводе Compare, а работу усилителя OU1 – на выводе Gate. Временные диаграммы функционирования компаратора COMP2 и дифференциального усилителя OU1 при имитации тиристорного эффекта и при остановленных генераторах G1 и G2 показаны на рис.3. При работающих генераторах диаграмма будет отличаться от изображенной на рисунке. Имитация тиристорного эффекта для наглядности представлена в виде медленно изменяющегося сопротивления нагрузки.
Пороговое значение тока нагрузки, при котором срабатывает защита от тиристорного эффекта, задается сопротивлением шунта в цепи питания, включенного между входами Vdd и Sense-. При превышении порогового значения компаратор COMP2 выдает на вход схемы управления защитой по току сигнал к началу ограничения тока нагрузки, а на выводе Compare появляется низкий логический уровень. Вывод Compare можно использовать для проверки правильности выбора порога срабатывания по току.
Порог начала ограничения тока нагрузки несколько выше порога компаратора COMP2, поэтому рост уровня сигнала на выходе Gate начинается после появления активного низкого логического уровня на выводе Compare. Если длительность сигнала Compare не превышает время tprot (на рис.3 t1 < tprot), то при снижении тока до порога отпускания сигналы Compare и Gate возвращаются в исходное состояние, и питание микросхемы восстанавливается.
На рис.4 показан пример полной временной диаграммы работы микросхемы при защите от тиристорного защелкивания. Если длительность сигнала COMP2(Q) от компаратора COMP2 превышает время tprot, (на рис.4 t2 > tprot), то схема управления защитой по току выдает на дифференциальный усилитель OU1 сигнал блокировки, который переводит вывод Gate в высокий логический уровень, то есть вместо ограничения тока нагрузки происходит полное отключение питания нагрузки. Сигнал на выводе Compare при этом остается в состоянии низкого логического уровня до тех пор, пока не поступят внешние сигналы Control, PWoff или не произойдет восстановление питания. Через время, равное tprot (на рис.4 t3 = tprot), схема управления устанавливает низкий логический уровень на внешнем выводе Alarm. Использование вывода Alarm для включения дополнительного уровня защиты будет рассмотрено ниже.
По истечении времени trec (на рис.4 t4 = 32 tprot = trec) с момента отключения питания нагрузки схема управления восстанавливает высокий логический уровень сигнала Alarm и низкий уровень Gate, и дифференциальный усилитель переходит в нормальный режим работы с возможностью ограничения тока нагрузки. Полное восстановление нормального питания нагрузки произойдет при условии спада тока нагрузки ниже порогового уровня (на рис.4 в течение времени t5). На этом цикл защиты от тиристорного защелкивания заканчивается.
При включении питания нагрузки из-за зарядки конденсаторов фильтра питания возможен бросок тока потребления, превышающий порог срабатывания схемы защиты от тиристорного эффекта. Чтобы избежать ошибочного отключения питания, следует выбирать tprot большим, чем длительность пика тока потребления (на рис.4 t5 < tprot).
На рис.5 показан пример временной диаграммы работы сторожевого таймера микросхемы.
При низком логическом уровне на внешнем входе WD_En разрешается работа сторожевого таймера. Блокировка сторожевого таймера осуществляется высоким логическим уровнем WD_En или срабатыванием защиты от тиристорного защелкивания. Если период сигнала WDI не превышает twdt, происходит сброс внутреннего счетчика сторожевого таймера и питание от нагрузки не отключается (на рис.5 t6 < twdt). Если за время twdt период сигнала WDI не завершается, то сторожевой таймер срабатывает и выполняет цикл отключения нагрузки (на рис.5 t7 = twdt). Минимальная длительность высокого или низкого уровня сигнала на входе WDI должна быть не менее одного периода заданной частоты генератора сторожевого таймера.
При срабатывании сторожевого таймера устанавливается низкий уровень сигнала WD_St. Высокий уровень на выходе WD_St может быть восстановлен подачей высокого логического уровня на вход Control, или на вход PWoff, или сбросом по питанию. По истечении времени twdt с момента срабатывания сторожевого таймера формируется низкий логический уровень на выводе Alarm (на рис.5 t8 = twdt). Длительность отключения питания нагрузки с момента срабатывания сторожевого таймера равна 2twdt (на рис.5 t9 = 2twdt). После этого сигнал Alarm возвращается в состояние высокого логического уровня, питание нагрузки восстанавливается, и дополнительная защита отключается.
При включении нагрузки после цикла срабатывания сторожевого таймера из-за зарядки конденсаторов фильтра питания возможен бросок тока потребления, превышающий порог срабатывания защиты. Чтобы этот процесс не вызвал ложного срабатывания защиты от тиристорного защелкивания, tprot должно превышать длительность пика тока потребления (на рис.5 t5 < tprot). Если на вход WDI по-прежнему не поступает периодический сигнал сброса, то цикл отключения по срабатыванию сторожевого таймера повторится через twdt (на рис.5 t10 = twdt). Появление низкого уровня на внешнем входе WD_En приводит к сбросу и выключению сторожевого таймера (то есть производит немедленное восстановление питания нагрузки), но не влияет на сигнал WD_St, высокий уровень которого может быть восстановлен подачей высокого логического уровня на вход Control, или на вход PWoff, или сбросом по питанию.
Высокий уровень на входе PWoff позволяет отключить питание нагрузки в любой момент и на произвольное время, возвращает в исходное состояние все узлы микросхемы и устанавливает все выводы в третье логическое состояние "отключено". Высокий уровень вывода Gate приводит к отключению питания нагрузки. Нормальное функционирование восстанавливается только по низкому уровню на входе PWoff. Следует обратить внимание на необходимость подключения выводов Control, WD_En и WDI к конкретному логическому уровню, так как при активном высоком уровне сигнала PWoff происходит отключение дотяжек этих входов к земле, способное вызвать повышение потребляемого микросхемой тока.
При срабатывании схемы защиты возможно сохранение остаточного питающего напряжения на нагрузке, что может привести к сбоям защищаемых микросхем после восстановления питания. В момент срабатывания дополнительного уровня защиты вывод Alarm отпирает внутренний ключ на основе n-канального МОП-транзистора и обеспечивает полную разрядку цепи питания защищаемых микросхем.
Для индикации состояния микросхемы используются два выхода: Compare и WD_St. Они позволяют определить, имел ли место факт срабатывания защиты по току или по истечении времени ожидания сторожевого таймера. Восстановить первоначальное состояние этих сигналов можно только с помощью входа Control. Для возвращения сигналов Compare и WD_St в исходное состояние необходимо подать на вход Control управляющий сигнал высокого уровня длительностью не менее tprot. Сигналы сброса длительностью менее tprot игнорируются.
Поскольку существует вероятность кратковременного нарушения питания под воздействием радиационных факторов, предусмотрена возможность резервного питания микросхемы от дополнительного внешнего конденсатора, подключаемого к выводу Vdd_C. Основной источник питания подсоединяется к выводу Vdd. При нормальном функционировании основного источника питания потребляемый ток протекает между выводами Vdd_C и Vdd через внутренние ключи, реализованные на p-канальных МОП-транзисторах. Управление этими ключами осуществляется компаратором COMP1. В случае сбоя основного источника питания происходит снижение напряжения на выводе Vdd, и компаратор COMP1 размыкает ключи. Питание микросхемы в таком случае будет некоторое время поддерживаться за счет внешнего конденсатора С1. Выбор номинала этого конденсатора позволяет задать время автономного функционирования микросхемы. Примеры осциллограмм напряжений на выводах Vdd и Vdd_C при нарушении и аварии питания микросхемы приведены на рис.6 и 7.
Из этих рисунков видно, что активизация супервизора питания ТН1 произошла через 180 мс после отключения напряжения питания на выводе Vdd.
При отключенной функции сторожевого таймера выводы WDI, Cap_WD и WD_St можно не подключать. Микросхема имеет два информационных выхода типа "открытый сток", позволяющих внешним системам управления определять факты срабатывания защиты от тиристорного защелкивания и завершения времени ожидания сторожевого таймера.
Микросхема выполняет свои функции и сохраняет значения параметров во время и после воздействия специальных факторов со значениями характеристик, приведенных в таблице в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.414.2-98.
Для проверки микросхем после изготовления в НПК "Технологический центр" создан контрольно-измерительный стенд, который позволяет проводить прецизионные автоматизированные аналоговые и цифровые измерения элементов как на пластинах, так и после корпусирования.
Таким образом, для повышения стойкости электронной компонентной базы, работающей в условиях воздействия внешних космических факторов, предложены специализированные микросхемы 1469ТК025 и 1469ТК035 с функцией защиты от тиристорного эффекта. Микросхемы успешно прошли испытания и выпускаются с категорией качества ВП. Оба варианта микросхем выполнены в малогабаритном корпусе МК 5123.28-1.01.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57814X0061.
ЛИТЕРАТУРА
Чумаков А.И., Васильев А.Л., Козлов А.А., Кольцов Д.О., Криницкий А.В., Печенкин А.А., Тарараксин А.С., Яненко А.В. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства // Микроэлектроника. 2010. Т. 39. № 2. С. 85–90.
Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС // Радио и связь. 2004. 320 с.
Holmes-Siedle A., Adams L. Handbook of Radiation Effects // Oxford university press. 1993. 479 p.
Messenger G.C., Ash M.S. Single Event Phenomena. – N.Y., Chapman&Hall. 1997. 368 p.
Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практическое пособие / Под общ. ред. Саурова А.Н. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Фёдоров Р.А. Семейство серии базовых матричных кристаллов // Известия ВУЗов. Электроника. 2015. № 5 (101). С. 497–504.
На основе унифицированной библиотеки ячеек базовых кристаллов серий 5521 и 5529 в НПК "Технологический центр" разработана микросхема защиты от возникновения тиристорного эффекта в КМОП-структурах. Микросхема выполнена в двух модификациях: 1469ТК025, изготовленная по КМОП-технологии "кремний на изоляторе" с топологическими нормами 0,25 мкм, и 1469ТК035, изготовленная по радиационно-стойкой КМОП-технологии объемного кремния с топологическими нормами 0,18 мкм. Ток потребления составляет не более 1 мА при напряжении питания 3,3 В ± 10%. Каждая микросхема содержит внутренний силовой ключ с максимальным рабочим током до 500 мА для 1469ТК025 и 1 000 мА для 1469ТК035. Температурный диапазон работы: от –60 до + 85 °C. Обе микросхемы разрешены для применения в аппаратуре специального назначения [5, 6].
Принцип действия основан на контроле тока потребления защищаемых элементов. Микросхема в автоматическом режиме отслеживает превышение заданного порога напряжения на внешнем резистивном шунте, встроенном в цепь питания защищаемых микросхем. При превышении током потребления порога срабатывания включается режим ограничения тока в нагрузку. Если произошло уменьшение тока нагрузки и восстановление штатного режима, то ограничение снимается и восстанавливается питание защищаемых элементов. В противном случае микросхема полностью отключает питание защищаемых микросхем и через заданный интервал времени снова восстанавливает его.
Дополнительно в микросхеме реализован блок сторожевого таймера, который предотвращает зависание системы. При разрешенной работе сторожевого таймера микросхема отслеживает наличие импульсов на его входе. В случае отсутствия импульсов в течение заданного времени микросхема выключает питание защищаемых микросхем. Временные параметры работы сторожевого таймера задаются внешними элементами.
Для индикации срабатывания защиты от тиристорного защелкивания и перехода сторожевого таймера в режим ожидания предусмотрены дополнительные выводы. Установка задержек срабатывания защиты по току и сторожевого таймера осуществляется путем выбора значений емкостей внешних конденсаторов, которые определяют частоту соответствующих генераторов, реализованных в микросхеме.
Рекомендуемая схема включения микросхемы представлена на рис.1, где: Rизм – низкоомный резистор, предназначенный для отслеживания уровня потребляемого нагрузкой тока; Rн, Cн – эквивалентная нагрузка; C1 – керамический или полярный электролитический конденсатор, заряд которого обеспечивает нормальное функционирование микросхемы во время нарушения работы основного источника питания VDD; С2 – керамический конденсатор, емкость которого определяет частоту тактового генератора, синхронизирующего работу схемы управления защитой от тиристорного защелкивания; C3 – керамический конденсатор, емкость которого определяет частоту тактового генератора сторожевого таймера; C4 – конденсатор емкостью 2 нФ, предназначенный для подавления высокочастотных помех на затворе внутреннего силового ключа.
Ток срабатывания защиты IСРАБ определяется номиналом внешнего токосъемного резистора RИЗМ и рассчитывается по формуле:
form01.ai.
Предусмотрена возможность внешнего управления микросхемой с помощью выводов PWoff, Control и WD_En.
Микросхема имеет два информационных выхода, позволяющих внешним системам управления фиксировать наличие события срабатывания защиты от тиристорного защелкивания (выход Compare) и окончание времени ожидания сторожевого таймера (выход WD_St).
Функциональная блок-схема микросхемы приведена на рис.2. В состав микросхемы входят следующие основные узлы: COMP1 – компаратор питания, отслеживающий превышение напряжения на выводе Vdd_C относительно напряжения на выводе Vdd; ТН2 – супервизор питания на выводе Vdd; ТН1 – супервизор питания на шине Vdd_C; COMP2 – компаратор; OU1 – усилитель; G1 – генератор тактовой частоты схемы управления, частота которого задается встроенным в микросхему резистором и внешним конденсатором, подключаемым к выводу Cap_LP; G2 – генератор тактовой частоты схемы сторожевого таймера, частота которого задается встроенным в микросхему резистором и внешним конденсатором, подключаемым к выводу Cap_WD; CO – цифровая часть микросхемы.
Порог срабатывания, отпускания и режим ограничения по току схемы защиты можно проверить при остановленных генераторах G1 и G2 путем замыкания выводов Cap_LP и Cap_WD на "Общий 0 В". Работу компаратора COMP2 при этом можно наблюдать на выводе Compare, а работу усилителя OU1 – на выводе Gate. Временные диаграммы функционирования компаратора COMP2 и дифференциального усилителя OU1 при имитации тиристорного эффекта и при остановленных генераторах G1 и G2 показаны на рис.3. При работающих генераторах диаграмма будет отличаться от изображенной на рисунке. Имитация тиристорного эффекта для наглядности представлена в виде медленно изменяющегося сопротивления нагрузки.
Пороговое значение тока нагрузки, при котором срабатывает защита от тиристорного эффекта, задается сопротивлением шунта в цепи питания, включенного между входами Vdd и Sense-. При превышении порогового значения компаратор COMP2 выдает на вход схемы управления защитой по току сигнал к началу ограничения тока нагрузки, а на выводе Compare появляется низкий логический уровень. Вывод Compare можно использовать для проверки правильности выбора порога срабатывания по току.
Порог начала ограничения тока нагрузки несколько выше порога компаратора COMP2, поэтому рост уровня сигнала на выходе Gate начинается после появления активного низкого логического уровня на выводе Compare. Если длительность сигнала Compare не превышает время tprot (на рис.3 t1 < tprot), то при снижении тока до порога отпускания сигналы Compare и Gate возвращаются в исходное состояние, и питание микросхемы восстанавливается.
На рис.4 показан пример полной временной диаграммы работы микросхемы при защите от тиристорного защелкивания. Если длительность сигнала COMP2(Q) от компаратора COMP2 превышает время tprot, (на рис.4 t2 > tprot), то схема управления защитой по току выдает на дифференциальный усилитель OU1 сигнал блокировки, который переводит вывод Gate в высокий логический уровень, то есть вместо ограничения тока нагрузки происходит полное отключение питания нагрузки. Сигнал на выводе Compare при этом остается в состоянии низкого логического уровня до тех пор, пока не поступят внешние сигналы Control, PWoff или не произойдет восстановление питания. Через время, равное tprot (на рис.4 t3 = tprot), схема управления устанавливает низкий логический уровень на внешнем выводе Alarm. Использование вывода Alarm для включения дополнительного уровня защиты будет рассмотрено ниже.
По истечении времени trec (на рис.4 t4 = 32 tprot = trec) с момента отключения питания нагрузки схема управления восстанавливает высокий логический уровень сигнала Alarm и низкий уровень Gate, и дифференциальный усилитель переходит в нормальный режим работы с возможностью ограничения тока нагрузки. Полное восстановление нормального питания нагрузки произойдет при условии спада тока нагрузки ниже порогового уровня (на рис.4 в течение времени t5). На этом цикл защиты от тиристорного защелкивания заканчивается.
При включении питания нагрузки из-за зарядки конденсаторов фильтра питания возможен бросок тока потребления, превышающий порог срабатывания схемы защиты от тиристорного эффекта. Чтобы избежать ошибочного отключения питания, следует выбирать tprot большим, чем длительность пика тока потребления (на рис.4 t5 < tprot).
На рис.5 показан пример временной диаграммы работы сторожевого таймера микросхемы.
При низком логическом уровне на внешнем входе WD_En разрешается работа сторожевого таймера. Блокировка сторожевого таймера осуществляется высоким логическим уровнем WD_En или срабатыванием защиты от тиристорного защелкивания. Если период сигнала WDI не превышает twdt, происходит сброс внутреннего счетчика сторожевого таймера и питание от нагрузки не отключается (на рис.5 t6 < twdt). Если за время twdt период сигнала WDI не завершается, то сторожевой таймер срабатывает и выполняет цикл отключения нагрузки (на рис.5 t7 = twdt). Минимальная длительность высокого или низкого уровня сигнала на входе WDI должна быть не менее одного периода заданной частоты генератора сторожевого таймера.
При срабатывании сторожевого таймера устанавливается низкий уровень сигнала WD_St. Высокий уровень на выходе WD_St может быть восстановлен подачей высокого логического уровня на вход Control, или на вход PWoff, или сбросом по питанию. По истечении времени twdt с момента срабатывания сторожевого таймера формируется низкий логический уровень на выводе Alarm (на рис.5 t8 = twdt). Длительность отключения питания нагрузки с момента срабатывания сторожевого таймера равна 2twdt (на рис.5 t9 = 2twdt). После этого сигнал Alarm возвращается в состояние высокого логического уровня, питание нагрузки восстанавливается, и дополнительная защита отключается.
При включении нагрузки после цикла срабатывания сторожевого таймера из-за зарядки конденсаторов фильтра питания возможен бросок тока потребления, превышающий порог срабатывания защиты. Чтобы этот процесс не вызвал ложного срабатывания защиты от тиристорного защелкивания, tprot должно превышать длительность пика тока потребления (на рис.5 t5 < tprot). Если на вход WDI по-прежнему не поступает периодический сигнал сброса, то цикл отключения по срабатыванию сторожевого таймера повторится через twdt (на рис.5 t10 = twdt). Появление низкого уровня на внешнем входе WD_En приводит к сбросу и выключению сторожевого таймера (то есть производит немедленное восстановление питания нагрузки), но не влияет на сигнал WD_St, высокий уровень которого может быть восстановлен подачей высокого логического уровня на вход Control, или на вход PWoff, или сбросом по питанию.
Высокий уровень на входе PWoff позволяет отключить питание нагрузки в любой момент и на произвольное время, возвращает в исходное состояние все узлы микросхемы и устанавливает все выводы в третье логическое состояние "отключено". Высокий уровень вывода Gate приводит к отключению питания нагрузки. Нормальное функционирование восстанавливается только по низкому уровню на входе PWoff. Следует обратить внимание на необходимость подключения выводов Control, WD_En и WDI к конкретному логическому уровню, так как при активном высоком уровне сигнала PWoff происходит отключение дотяжек этих входов к земле, способное вызвать повышение потребляемого микросхемой тока.
При срабатывании схемы защиты возможно сохранение остаточного питающего напряжения на нагрузке, что может привести к сбоям защищаемых микросхем после восстановления питания. В момент срабатывания дополнительного уровня защиты вывод Alarm отпирает внутренний ключ на основе n-канального МОП-транзистора и обеспечивает полную разрядку цепи питания защищаемых микросхем.
Для индикации состояния микросхемы используются два выхода: Compare и WD_St. Они позволяют определить, имел ли место факт срабатывания защиты по току или по истечении времени ожидания сторожевого таймера. Восстановить первоначальное состояние этих сигналов можно только с помощью входа Control. Для возвращения сигналов Compare и WD_St в исходное состояние необходимо подать на вход Control управляющий сигнал высокого уровня длительностью не менее tprot. Сигналы сброса длительностью менее tprot игнорируются.
Поскольку существует вероятность кратковременного нарушения питания под воздействием радиационных факторов, предусмотрена возможность резервного питания микросхемы от дополнительного внешнего конденсатора, подключаемого к выводу Vdd_C. Основной источник питания подсоединяется к выводу Vdd. При нормальном функционировании основного источника питания потребляемый ток протекает между выводами Vdd_C и Vdd через внутренние ключи, реализованные на p-канальных МОП-транзисторах. Управление этими ключами осуществляется компаратором COMP1. В случае сбоя основного источника питания происходит снижение напряжения на выводе Vdd, и компаратор COMP1 размыкает ключи. Питание микросхемы в таком случае будет некоторое время поддерживаться за счет внешнего конденсатора С1. Выбор номинала этого конденсатора позволяет задать время автономного функционирования микросхемы. Примеры осциллограмм напряжений на выводах Vdd и Vdd_C при нарушении и аварии питания микросхемы приведены на рис.6 и 7.
Из этих рисунков видно, что активизация супервизора питания ТН1 произошла через 180 мс после отключения напряжения питания на выводе Vdd.
При отключенной функции сторожевого таймера выводы WDI, Cap_WD и WD_St можно не подключать. Микросхема имеет два информационных выхода типа "открытый сток", позволяющих внешним системам управления определять факты срабатывания защиты от тиристорного защелкивания и завершения времени ожидания сторожевого таймера.
Микросхема выполняет свои функции и сохраняет значения параметров во время и после воздействия специальных факторов со значениями характеристик, приведенных в таблице в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.414.2-98.
Для проверки микросхем после изготовления в НПК "Технологический центр" создан контрольно-измерительный стенд, который позволяет проводить прецизионные автоматизированные аналоговые и цифровые измерения элементов как на пластинах, так и после корпусирования.
Таким образом, для повышения стойкости электронной компонентной базы, работающей в условиях воздействия внешних космических факторов, предложены специализированные микросхемы 1469ТК025 и 1469ТК035 с функцией защиты от тиристорного эффекта. Микросхемы успешно прошли испытания и выпускаются с категорией качества ВП. Оба варианта микросхем выполнены в малогабаритном корпусе МК 5123.28-1.01.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57814X0061.
ЛИТЕРАТУРА
Чумаков А.И., Васильев А.Л., Козлов А.А., Кольцов Д.О., Криницкий А.В., Печенкин А.А., Тарараксин А.С., Яненко А.В. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства // Микроэлектроника. 2010. Т. 39. № 2. С. 85–90.
Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС // Радио и связь. 2004. 320 с.
Holmes-Siedle A., Adams L. Handbook of Radiation Effects // Oxford university press. 1993. 479 p.
Messenger G.C., Ash M.S. Single Event Phenomena. – N.Y., Chapman&Hall. 1997. 368 p.
Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практическое пособие / Под общ. ред. Саурова А.Н. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Гаврилов С.В., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Малашевич Н.И., Фёдоров Р.А. Семейство серии базовых матричных кристаллов // Известия ВУЗов. Электроника. 2015. № 5 (101). С. 497–504.
Отзывы читателей
