Результат интеллектуальной деятельности: Устройство защиты полупроводниковых микросборок от тиристорного эффекта

Изобретение относится к технике электропитания радиоэлектронной аппаратуры и может быть использовано в составе приборов наземного, морского и аэрокосмического базирования.

Известно устройство защиты от тиристорного эффекта фирмы
«НПК Технологический центр», реализованное в виде микросхемы 1469ТК025. В данном устройстве избыточность заложенных в микросхему функций приводит к неоправданному усложнению её применения при практическом создании бортовой аппаратуры.

Также известно устройство защиты от тиристорного эффекта, описанное в патенте на изобретение RU2510893 «Устройство для защиты интегральных микросхем от тиристорного эффекта» (заявка RU 2012120813/08 от 22.05.2012). Данное устройство содержит датчик тока, транзисторы, конденсаторы, резисторы, диоды, компаратор напряжения, RS-триггер, генератор импульсной последовательности.

Недостатками данного устройства является невозможность задать время отключения нагрузки, для восстановления ее функционирования, что, в свою очередь, может привести к постоянному переключению компаратора, как следствие, непрерывное генерирование импульсов на базу запирающего транзистора вплоть до выхода нагрузки из строя. Также быстрое разряжение конденсатора в цепи датчика тока может привести к повышенному напряжению на втором входе компаратора, что, в свою очередь, не дает возможность открыть запирающий транзистор и восстановить питание нагрузки. Наличие большого количества элементов приводит к снижению надежности и сложности реализации данного устройства и влечет за собой увеличению массогабаритных показателей всего изделия, что крайне негативно сказывается при разработке бортовой аппаратуры.

В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения может быть выбрано устройство защиты цифровых микросхем, предложенное в патенте на изобретение RU 2405247 (заявка RU 2009109340/08 от 13.03.2009). Устройство состоит из измерительного резистора, установленного в шину питания цифровых микросхем, компаратора, подключенного входом к измерительному резистору, а выходом - к входу управления источником питания цифровых микросхем, введены форсирующий транзистор, запирающий диод, времязадающая RC-цепь, состоящая из резистора и конденсатора, и МДП транзистор, при этом выход компаратора подключен к базе форсирующего транзистора, коллектор которого через запирающий диод подключен к времязадающей RC-цепи и к затвору МДП транзистора, сток которого подключен к входу управления источником питания цифровых микросхем.

Недостатком данного устройства является невозможность задавать точный порог срабатывания превышения тока потребления, а также ширину диапазона изменения тока срабатывания защиты, что может привести к ложному срабатыванию, за счет возрастания токопотребления при включении или изменении температуры работы. Также недостатком данного устройства является ограничение функционального применения управляемого линейного стабилизатора напряжения в источнике питания из-за невозможности использования во вторичных цепях питания цифровых микросхем или если выбранное устройство не обладает возможностью отключения.

В свою очередь, задачами настоящего заявляемого изобретения являются: повышение надежности в работе схемы защиты в части исключения ложных срабатываний под воздействием тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), вызывающих тиристорный эффект, а также расширение функционального применения схемы защиты устройства питания цифровых микросхем, не имеющих команды отключения.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание схемы защиты с повышенной помехоустойчивостью по отношению к помехам, распространяющимся по шинам питания, повышенной надежностью работы радиоэлектронной аппаратуры при воздействии ТЗЧ, вызывающих тиристорный эффект, обусловленный резким кратковременным увеличением тока потребления нагрузки в момент включения и выключения, в связи с возможными резонансными свойствами нагрузки.

Для достижения ожидаемого технического результата в схему защиты полупроводниковых микросборок от тиристорного эффекта, состоящей из датчика тока и малоомного резистора R_дет, установленного в шину питания цифровых микросхем, введены: инвертирующий операционный усилитель, времязадающий одновибратор, дифференциальный усилитель, а также установленный в шину питания N канальный MOSFET транзистор, затвором которого управляет инвертирующий операционный усилитель, вход которого подключён к времязадающему одновибратору, регулируемому напряжением насыщения дифференциального усилителя, подключённого инвертирующим входом к выходу датчику тока.

На фиг.1 схематично представлен принцип работы устройства.

Устройство защиты полупроводниковых микросборок от тиристорного эффекта состоит из:

А1 – датчика тока;

А2 – дифференциального усилителя;

А3 – времязадающего одновибратора (далее – одновибратор);

А4 – инвертирующего операционного усилителя;

1 - N-канального MOSFET транзистора (далее – транзистор);

2 – малоомного резистора R_дет;

3, 4, 5, 6 – операционных усилителей;

7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 – резисторов;

16, 17 – конденсаторов;

18, 19, 20 – диодов;

21 - линейного стабилизатора напряжения (ЛСН);

22 – нагрузки.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии ТЗЧ происходит мгновенный рост тока потребления, который, в свою очередь, приводит к увеличению падения напряжения на контрольном малоомном резисторе R_дет 2, который подключён к датчику тока А1 (построенному на операционном усилителе 3). Выход А1 выдаёт напряжение на инвертирующий вход дифференциального усилителя А2 (построенный на операционном усилителе 4). На дифференциальном усилителе А2 происходит принятие решения о превышение тока потребления, на котором задается порог срабатывания относительно опорной точки резисторами 9 и 10, вследствие чего его выходное напряжение от –U_нас скачком переходит к +U_нас, то есть он срабатывает, как компаратор. Уровень порога срабатывания дифференциального усилителя А2 U_ПОРОГ определяется по следующей формуле

где R – резистор.

В результате смены знака на выходе А2 с «–» на «+» через дифференциальную цепь RC, построенную на конденсаторе 16 и резисторе 12, формируется запускающий импульс U_ЗАП, вызывающий срабатывание одновибратора А3, построенного на операционном усилителе 5, где диод 18 обеспечивает прохождение импульса только со знаком «+», тем самым защищая одновибратор А3 от повторного срабатывания в процессе перезарядки конденсатора 16.

В исходном состоянии (до подачи запускающего импульса U_ЗАП) операционный усилитель 5 находится в состоянии насыщения с уровнем выходного напряжения -U_НАС. Начальное напряжение на конденсаторе 17 определяется как , где .

Следует отметить, что операционный усилитель 5 находится в устойчивом состоянии только при U_ВЫХ = –U_НАС. С подачей короткого по длительности импульса U_ЗАП положительной полярности операционный усилитель 5 переключается с уровня –U_НАС на уровень +U_НАС.

Далее диод 19, находящийся в составе одновибратора А3, сокращает время восстановления начального напряжения на конденсаторе 17 перед подачей очередного запускающего импульса и тем самым повышает работоспособность схемы. Диоды 20 обеспечивают прохождение волны с необходимой фазой, вследствие чего повышается надежность срабатывания одновибратора А3.

Время отключения транзистора 1 задается длительностью генерируемого импульса t_и, равного времени заряда конденсатора 17 до значения +γU_НАС

где С – конденсатор.

Этот импульс инвертируется на операционном усилителе 6, который представляет из себя инвертирующий операционный усилитель А4, который выдаёт запирающее напряжение U_ОТКЛ длительностью t_и на N-канальный MOSFET транзистор 1, установленный непосредственно в цепи питания. Вследствие этого напряжение питания нагрузки 22 отключается, и ток в ней спадает до нуля, предотвращая возможный выход из строя активного элемента. Через время, соответствующее t_и, питание нагрузки 22 возобновляется и, если ток не превышает максимально допустимого значения, то работа нагрузки 22 восстанавливается, а если ток превышает максимально допустимое значение, то нагрузка 22 снова отключается на длительность, равную t_и, и так будет продолжаться вплоть до затухания колебательного процесса.

Таким образом, наличие в заявленном устройстве защиты полупроводниковых микросборок от тиристорного эффекта дифференциального усилителя позволяет обеспечить широкий диапазон настройки и точность его срабатывания, а наличие дифференцирующей RC цепочки и одновибратора позволяют задавать длительность отключения устройства. Наличие инвертирующего операционного усилителя, соединённого по выходу с затвором N-канального MOSFET транзистора, в штатном режиме позволяет держать транзисторв открытом состоянии. Использование N-канального MOSFET транзистора в цепи питания обеспечивает своевременное отключение нагрузки при нештатной работе, а также дает возможность использовать широкий спектр транзисторов с требуемым пропускаемым током для соответствующей нагрузки.