CN103762558A

CN103762558A - 一种可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路

Info

Publication number: CN103762558A
Application number: CN201410026106.9A
Authority: CN
Inventors: 王新升; 张昊; 李博; 周开兴
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明的目的在于提供一种可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路，实现对在轨航天器低功率电子设备单粒子闩锁故障的自动检测和解除。该电路是由2个三极管、2个二极管以及若干电容和电阻组成的模拟电路。该电路连接于航天器电子设备的电源输入端和设备负载之间。负载设备正常工作状态下，此电路电压降很小，电源正常给负载供电。负载设备发生单粒子闩锁现象时，该电路能迅速切断负载供电并经过一定时间后重新给负载上电，从而解除单粒子闩锁效应。同时该电路还有过流保护的作用。该电路具有简单、稳定、可靠和响应速度快的特点，且可以根据负载设备闩锁故障的解除时间来配置断电保持时间，确保闩锁效应的完全解除。

Description

一种可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路

所属技术领域

本专利涉及一种用于检测和处理空间航天器电子设备单粒子闩锁故障的电源接口电路，适用于航天器的低功率设备。在不干涉负载设备供电的基础上，负载设备发生单粒子闩锁时，此接口电路将切断负载供电，并经过一定时间后恢复供电，防止单粒子闩锁给航天器电子设备造成损伤。该发明属于航天技术领域。

背景技术

CMOS器件具有低功耗、高抗干扰能力等优点，已被大量用于各类航天器上的各种电子系统中，成为其核心部件。由于宇宙空间中存在大量高能质子、重离子等，它可使航天器上的CMOS器件发生单粒子效应。单粒子闩锁(Single Event Latchup，SEL)是单粒子效应之一，轻则损坏器件，重则使在轨航天器失效。所谓单粒子闩锁效应是由于电路的输入端或输出端输入外来的噪声电压、电流，而导致寄生的双极型晶体管（也称寄生可控硅）形成闩锁导通，所引起的电子器件流过大电流的现象，这种骤然增大的电流会使电路和器件无法正常工作甚至电路烧坏。

目前提高电路抗SEL方法主要是从版图设计和加工工艺上采取措施防止和避免SEL现象。CMOS加工工艺在非空间环境工况下有效抑制了SEL的发生，但在宇宙空间中，由于高能粒子引起的局部电荷沉淀仍可能触发这种效应。各国航天专家都致力于空间应用的CMOS器件的SEL防护策略，提出了许多有效的防护措施，包括选用宇航级抗SEL器件、电路限流、电源过流保护、遥控断电、过流自主断电等。美国SEI（Space Electronic Inc.）公司专门对非抗SEL器件采取了外围LPT（Latchup Protection Technology）加固技术，其思路是为保护器件而设定极限电流值。当检测到SEL引起的电流值超过设定值时，强迫器件断电并持续一段时间（根据器件SEL效应维持时间来确定），确保SEL的完全解除。

发生单粒子闩锁效应后，航天器电源系统将会无止境的给电路提供电流，形成异常大电流。单粒子闩锁所引发的电流一般为0.03～3A。微弱的闩锁电流仅会造成设备工作不正常，可通过备份切换或地面遥控指令进行手动断电复位处理。但对于较大的闩锁电流而言，此大电流会引起器件的损坏。所以迅速关断输入端电源并在闩锁现象消失后恢复电路供电，是单粒子闩锁防护的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可自动恢复的抗单粒子闩锁电源接口电路，实现对在轨航天器低功率电子设备单粒子闩锁故障的自动检测和解除。该电路连接于航天器电子设备的电源输入端和设备负载之间。在正常状态下，此电路电压降很小，电源能正常给负载供电。发生单粒子闩锁现象时，该电路能迅速切断负载供电并经过一定时间后重新给负载上电，从而解除单粒子闩锁效应。同时该电路还有过流保护的作用。该电路具有简单、稳定、可靠和响应速度快的特点，且可以根据负载设备闩锁故障的解除时间来配置断电保持时间，确保闩锁效应的完全解除。

本专利提出的抗单粒子闩锁电源接口电路是由1个PNP三极管、1个NPN三极管，2个硅二极管、1个电容及若干电阻组成的模拟电路。此抗单粒子闩锁接口电路模块连接在被保护电路的电源输入端，在正常状态下该电路相当于一般电路中电源输入端的电阻电容、滤波电路中的电阻作用，相当于一个非线性电阻，在一定电流范围内它是一个只有几欧姆阻值的电阻，当电流增大到一定值后，动态电阻值增大到非常大，达到恒流程度，同时关闭电源，等到可控硅效应解除后，延时一定时间重新开启电源恢复正常供电。同时该抗单粒子闩锁接口电路在开机上电时不会出现浪涌电流，上电最大电流为调定的限流电流。

本发明的优点在于：

一、结构简单、功能可靠，采用模拟电路搭建；

二、能自动检测单粒子闩锁故障的发生，对所保护设备进行断电处理，经过一端时间后，自动恢复对设备的供电，实现对该设备单粒子闩锁故障的自动检测和解除；

二、响应时间快，恢复供电时间可调。当发生单粒子闩锁效应后，该电路能立即切断设备供电，避免设备的损坏，根据所保护设备闩锁效应的解除时间，可更改电阻、电容参数来调整电路断电的持续时间，保证闩锁效应完全解除后再给设备恢复供电；

四、该电路工作在正常状态时功耗低，压降小，对所保护的电子设备影响小，适应了空间应用的需求；

五、易于扩展以适应不同电子设备或器件的需求，可根据设备需求，对该电路器件重新配置，以满足需求。

附图说明

图1为本专利可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路原理图；

具体实施方式

下面结合附图和实施方案对本发明的技术方案进一步说明。

本专利的目的在于提供一种抗单粒子闩锁电源接口电路，实现对在轨航天器低功率电子设备（工作电压3.3V～12V，工作电流0～200mA）单粒子闩锁故障的自动检测和解除。

如图[1]所示，本发明是由1个PNP三极管Q₁、1个NPN三极管Q₂，2个硅二极管D₁和D₂、1个电容C₁，3个电阻R₁、R₂和R₃组成的模拟电路。其中2个三极管选用放大倍数较大、集电极最大允许电流较大的型号。本例中，电容C₁为1uf，电阻R₁为1Ω，R₂为200Ω，R₃为30kΩ。板级各端子连接为：

正电源入口端与PNP三极管Q₁发射极之间连接有电阻R₁；正电源入口端与Q₁之间串联2个二极管D₁，D₂；Q₁与NPN三极管Q₂的集电极之间连接有电阻R₂；Q₂发射极接地；Q₁集电极与负载正电源端相连，为负载提供所需正电压；Q₁集电极与Q₂基极之间连接有电容C₁；正电源入口端与Q₂基极连接有电阻R₃，负电源入口端和负载负供电端接模拟地。

本发明的单粒子闩锁效应检测与解除的原理分析如下：

负载正常工作情况时，电源入口端为航天器电源分系统给负载供电端口，供电电压为u_i。电源上电后电源u_i通过R₃给Q₂基极提供正电压，Q₂导通。Q₁基极和发射极电压为正向偏置，Q₁导通。由于Q₁放大倍数较大，负载电流较小（0～200mA），则Q₁工作于饱和区。Q₁饱和压降U_CES及R₁两端压降较小，此时相当于电源直接给负载供电，u₀=u_i，电容C1两端电压与供电电压u_i相等。

当单粒子闩锁发生时，电路中电流迅速增大，抗单粒子闩锁电源接口电路进入限流状态。电流I_C的增大使R₁两端压降增大，Q₁的基极电流减小，Q₁的发射极和集电极两端压降迅速增大，Q₁集电极电压（即电容C₁上端电压）迅速下降。由于电容两端电压不能突变，则此时Q₂基极电压也迅速下降为负电位，使Q₂发射结处于反向偏置，Q₂截止。Q₂截止后，Q₁基极电流为0，Q₁截止，负载和电源供电系统断开连接。系统断开供电之后，电源通过R₃给电容C₁充电。充电一段时间T后，Q₂的基极电压大于0.7V后，Q₂重新导通，接着Q₁也导通，系统重新恢复供电。其中充电时间T取决于时间常数t，t=R₃×C₁。充电时间T约为1～2个时间常数t。

电阻R₁和两个二极管D₁、D₂在电路中起到限制电流浪涌的作用。根据需要配置R₁及二极管的正向压降的大小即可限制上电浪涌电流的大小。以R₁=1Ω，2个二级管的正向导通电压为1.2V(单个二极管正向导通电压为0.6V)，三极管Q₁导通电压为0.7V为例。若设备负载电流小于500mA时，三极管Q₁正常导通，其发射极与基极之间电压约为0.7V，即Q₁基极电位大于3.8V，故2个二极管未导通。若负载电流大于500mA时，R₁两端压降，使Q₁基极电位小于3.8V。2个二极管两端压降大于1.2V，二极管导通。由于二极管的稳压作用，使Q₁基极电位保持在3.8V左右，则此时，Q₁截止。因此电源接口电路允许流过的最大电流为500mA。将电阻R₁值调大则能减小本电源接口电路允许流过的最大电流。电路的过流保护作用可有效的抑制设备上电时产生较大的浪涌电流。

Claims

1.一种可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路，实现对在轨航天器低功率电子设备单粒子闩锁故障的自动检测和解除，其特征在于：供电电源的正端经过取样电阻和PNP三极管给负载供电，通过控制PNP三极管的通断实现对负载供电控制。电路通过检测该防护电路输出端电压变化，获得是否产生单粒子闩锁效应的判断依据。检测到的电压变化用于驱动NPN三极管的接通或断开，继而影响PNP三极管基极电流的通断，即控制PNP三极管的通断，从而使负载得到保护。当单粒子闩锁效应发生后，PNP三极管及NPN三极管均处于断开状态，此时正电源端通过给连接于该电路输出端和NPN基极之间的电容充电，充电至NPN三极管的导通电压时，NPN三极管导通，从而PNP三极管也导通，负载重新上电。该电路通过控制2个串联二极管的通断，实现过流保护的作用。

2.根据权利要求1所述的可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路，其特征在于各电路的硬件连接为：正电源入口端与PNP三极管Q₁发射极之间连接有电阻R₁；正电源入口端与Q₁之间串联2个二极管D₁，D₂；Q₁与NPN三极管Q₂的集电极之间连接有电阻R₂；Q₂发射极接地；Q₁集电极与负载相连，为负载提供所需正电压；Q₁集电极与Q₂基极之间连接有电容C₁；正电源入口端与Q₂基极连接有电阻R₃，负电源入口端和负载负供电端接模拟地。

3.根据权利要求1、2所述的可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路，其特征在于：电源正输入端与NPN三极管的基极之间连接有1电阻R₃。

4.根据权利要求1、2所述的可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路，其特征在于：电源正输入端与PNP三极管的基极之间连接有2个硅二极管D₁、D₂。

5.根据权利要求1、2所述的可恢复式抗单粒子闩锁电源接口电路，其特征在于：该电路的输出端与NPN三极管的基极之间连接有电容C₁。