CN103997325A

CN103997325A - 一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关

Info

Publication number: CN103997325A
Application number: CN201410139085.1A
Authority: CN
Inventors: 李瑞宾; 王桂珍; 陈伟; 齐超; 杨善潮
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-04-09
Also published as: CN103997325B

Abstract

本发明涉及一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，采用辐射探测、RC延时、组合逻辑及驱动相结合的脉冲响应型瞬时辐射敏感电子开关，该开关驱动能力和抗电磁干扰能力强，灵敏度高，可用于瞬时电离辐射下避免电子器件或系统发生闩锁。优点是：电路本身受瞬时电离辐射后不会发生闩锁，且受总剂量为1×10³Gy(Si)的辐射后，性能保持不变。可对瞬时电离辐射灵敏探测，并快速关断电压输出，避免后级器件或系统发生闩锁。采用脉冲响应方式，在开关关断期间，不受其他脉冲信号干扰，保证了关断时间的稳定控制。采用元件数少，结构简单，具有驱动能力强、自身功耗小等特点。

Description

一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关

技术领域

本发明属于电子开关，涉及一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，特别是涉及一种用于避免电子器件在瞬时电离辐射下发生闩锁的脉冲响应型电子开关。

背景技术

脉冲X、γ射线与物质相互作用时，在材料内部形成电离的现象称为瞬时电离辐射。当电子器件在瞬时电离辐射环境下应用时，脉冲射线在半导体材料内部电离出大量的电子-空穴对，在PN结处形成光电流，可以造成器件闩锁而损毁。因此，避免电子器件发生闩锁对保障电子系统在瞬时电离辐射环境下的应用安全性具有重要意义。采用瞬时电离辐射敏感开关是避免器件在瞬时辐射下发生闩锁行之有效的方法之一，其工作过程是在没有瞬时电离辐射时，电源电压通过开关输出，以驱动其他电子器件；当脉冲射线辐照器件时，由辐射敏感器件产生一个脉冲信号触发电子开关停止电源电压输出，并对被驱动的电子器件进行放电，以达到避免器件闩锁的目的；在经过预先设计好的关断时间后，电子开关重新输出电源电压。根据实用性需求，要求瞬时电离辐射敏感电子开关具有结构简单、驱动能力强、灵敏度高、抗干扰能力强等特点，但一直以来，这种电子开关的研制始终没有很好的解决。

常见的商用电子开关根据用途有以下几种，数字信号处理中用于控制数据通路的三态开关；开关电源或程控电源中用于电压切换的控制开关；或其他高压电路中用于控制电流通断的开关。这些电子开关都是基于非瞬时辐射环境下使用而设计的，对在瞬时电离辐射下应用的电子器件或系统不仅起不到避免闩锁的目的，而且还有可能受辐射影响电子开关自身发生闩锁。因此，一般的电子开关无法满足瞬时电离辐射下保护电子器件或系统的要求。

瞬时电离辐射敏感开关的设计，需要考虑以下几点基本要求：1、开关本身抗瞬时辐射，即受辐射后不发生闩锁，且性能保持不变；2、抗干扰能力强，即不能在电磁干扰下出现误触发；3、灵敏度高，即在剂量率为10⁷Gy(Si)/s下就可以触发电子开关；4、驱动能力强，即开关内阻要小，且驱动电流在2A以上。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，综合电子器件的瞬时电离辐射效应和电路设计方面的知识，设计出一种满足以上要求的脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关。

技术方案

一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于包括由探测器D和限流电阻R1串联组成的敏感探测单元；由电容C和延时电阻R2串联组成的延时单元；由NMOS管M3、NMOS管M4、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5和NMOS管M6组成的组合逻辑单元；由PMOS开关管M7和NMOS开关管M8组成的驱动单元；开关输入端Vin与公共接地端GND之间并联敏感探测单元和驱动单元，还并联PMOS管M1、PMOS管M2和NMOS管M4串联电路，以及PMOS管M5和NMOS管M6串联组成的非门级电路；探测器D的输入端与PMOS管M1与NMOS管M4的输入端连接；PMOS管M5和NMOS管M6的输出端连接PMOS开关管M7和NMOS开关管M8的输入端，同时通过电容C和延时电阻R2串联组成的延时单元与公共接地端GND连接；电容C的输出端连接PMOS管M2和NMOS管M3的输入端；NMOS管M3的输出端连接PMOS管M5和NMOS管M6的输入端；PMOS开关管M7与NMOS开关管M8串联连接点为驱动单元的输出端，并作为开关的输出端Vout。

所述探测器D为晶闸管、二极管或三极管。

所述限流电阻R1的阻值为1kΩ～1MΩ。

所述电容C的电容值为470pF～100nF。

所述延时电阻值R2的阻值通过式子R=T/[C·ln(V₀/V_t)]确定，其中T为开关关断时间设计值，C为电容值，V₀为电源电压值，V_t为NMOS管1（6）的阈值电压。

所述PMOS开关管M7和NMOS开关管M8之间采用绝缘隔离。

所述NMOS管M3、NMOS管M4、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5和NMOS管M6之间采用绝缘隔离。

所述NMOS管M3和NMOS管M4类型、尺寸和功能相同，位置可对调。

所述PMOS管M1和PMOS管M2类型、尺寸和功能相同，位置可对调。

有益效果

本发明提出的一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，采用辐射探测、RC延时、组合逻辑及驱动相结合的脉冲响应型瞬时辐射敏感电子开关，该开关驱动能力和抗电磁干扰能力强，灵敏度高，可用于瞬时电离辐射下避免电子器件或系统发生闩锁。

本发明的优点是：

1、本发明电路本身受瞬时电离辐射后不会发生闩锁，且受总剂量为1×10³Gy(Si)的辐射后，性能保持不变。

2、本发明可对瞬时电离辐射灵敏探测，并快速关断电压输出，避免后级器件或系统发生闩锁。

3、本发明采用脉冲响应方式，在开关关断期间，不受其他脉冲信号干扰，保证了关断时间的稳定控制。

4、本发明采用元件数少，结构简单，具有驱动能力强、自身功耗小等特点。

附图说明

图1：脉冲响应型瞬时电离辐射敏感开关电路结构图

图2：延时电路典型输出波形

图3：瞬时电离辐射敏感开关典型输出波形

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例包括由探测器D和限流电阻R1串联组成的敏感探测单元；由电容C和延时电阻R2串联组成的延时单元；由NMOS管M3、NMOS管M4、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5和NMOS管M6组成的组合逻辑单元；由PMOS开关管M7和NMOS开关管M8组成的驱动单元；开关输入端Vin与公共接地端GND之间并联敏感探测单元和驱动单元，还并联PMOS管M1、PMOS管M2和NMOS管M4串联电路，以及PMOS管M5和NMOS管M6串联组成的非门级电路；探测器D的输入端与PMOS管M1与NMOS管M4的输入端连接；PMOS管M5和NMOS管M6的输出端连接PMOS开关管M7和NMOS开关管M8的输入端，同时通过电容C和延时电阻R2串联组成的延时单元与公共接地端GND连接；电容C的输出端连接PMOS管M2和NMOS管M3的输入端；NMOS管M3的输出端连接PMOS管M5和NMOS管M6的输入端；PMOS开关管M7与NMOS开关管M8串联连接点为驱动单元的输出端，并作为开关的输出端Vout。

本开关电路中的参数选择不唯一，作为实施例，为了说明本发明的参数选择和工作过程，设定开关输入电压为12V，开关的设计关断时间为1ms。探测器D采用晶闸管，其最小保持电流为4mA，为让晶闸管受瞬时辐射后只提供脉冲信号，而不保持常通状态，所以限流电阻R1选择应大于12/0.004=3kΩ，在此选用5kΩ。开关关断时间为1ms，为保证充电速度，电容C选择1nF，NMOS管M3的阈值电压设计为0.6V，则延时电阻R2的值确定为R=(1×10^-3)/[(1×10^-9)×ln(12/0.6)]=333kΩ。

在脉冲射线到来前，晶闸管截止，电容C上没有电荷，所以由PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5和NMOS管M3、NMOS管M6、NMOS管M6组成的二输入或门的两个输入端都为低电平，输出也为低电平，使PMOS开关管M7导通而NMOS开关管M8截止，电源输入端V_in电压通过PMOS开关管输出到整个电路输出端V_out。当脉冲射线到来时，晶闸管受辐射后会瞬间导通，产生一个正脉冲信号，并输入到二输入或门，使或门也输出一个高电平脉冲，电容C开始充电，其下极板感应电压迅速升高，这时或门与电容相连的输入端变为高电平，使或门的高电平输出继续维持。由于电容电压感应时间比晶闸管产生的脉冲信号宽度小的多，所以在晶闸管产生的脉冲信号消失前，或门的另一个输入端已经变为高电平，使或门输出不会出现中断，而是连续的高电平。或门输出由低电平变为高电平，驱动PMOS开关管截止，NMOS开关管导通，使电源电压输出中断，并且将负载电路中残留的电荷快速泄放到地，达到防止负载电路发生闩锁的目的。由于延时电路中电容的下极板通过延时电阻充电，使下极板电压以EXP(-t/RC)的速度下降，典型波形如图2所示，经过1ms后，电压下降到NMOS管M3的阈值电压以下，NMOS管M3截止，此时二输入或门的两输入端又都变为低电平，输出也由高电平跳变为低电平，使PMOS开关管导通，NMOS开关管截止，整个电路输出端又恢复电源电压输出。开关的完整工作波形如图3所示，零时刻为脉冲射线辐照开关瞬间。

本发明中探测器（1）采用晶闸管，因为晶闸管内部是P-N-P-N四层可控硅结构，在受到瞬时辐射时，产生的初次光电流可以很快形成，几乎和脉冲射线同步，并且在较低剂量率下就可以导通，因此具有高灵敏性；又由于晶闸管的耐压较高，可以达到几百伏，所以可以避免电磁脉冲的干扰，具有抗干扰性。开关中采用的延时单元和组合逻辑单元的连接方式形成自举结构，使开关在响应第一个脉冲以后，在开关关断时间内不会响应其他脉冲，而且RC延时电路几乎不受瞬时辐射影响，因此定时稳定。驱动单元采用超低阻功率MOS管，拥有高驱动能力、低功耗等特点。

Claims

1.一种脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于包括由探测器D和限流电阻R1串联组成的敏感探测单元；由电容C和延时电阻R2串联组成的延时单元；由NMOS管M3、NMOS管M4、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5和NMOS管M6组成的组合逻辑单元；由PMOS开关管M7和NMOS开关管M8组成的驱动单元；开关输入端Vin与公共接地端GND之间并联敏感探测单元和驱动单元，还并联PMOS管M1、PMOS管M2和NMOS管M4串联电路，以及PMOS管M5和NMOS管M6串联组成的非门级电路；探测器D的输入端与PMOS管M1与NMOS管M4的输入端连接；PMOS管M5和NMOS管M6的输出端连接PMOS开关管M7和NMOS开关管M8的输入端，同时通过电容C和延时电阻R2串联组成的延时单元与公共接地端GND连接；电容C的输出端连接PMOS管M2和NMOS管M3的输入端；NMOS管M3的输出端连接PMOS管M5和NMOS管M6的输入端；PMOS开关管M7与NMOS开关管M8串联连接点为驱动单元的输出端，并作为开关的输出端Vout。

2.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述探测器D为晶闸管、二极管或三极管。

3.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述限流电阻R1的阻值为1kΩ～1MΩ。

4.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述电容C的电容值为470pF～100nF。

5.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述延时电阻值R2的阻值通过式子R=T/[C·ln(V₀/V_t)]确定，其中T为开关关断时间设计值，C为电容值，V₀为电源电压值，V_t为NMOS管1（6）的阈值电压。

6.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述PMOS开关管M7和NMOS开关管M8之间采用绝缘隔离。

7.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述NMOS管M3、NMOS管M4、PMOS管M1、PMOS管M2、PMOS管M5和NMOS管M6之间采用绝缘隔离。

8.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述NMOS管M3和NMOS管M4类型、尺寸和功能相同，位置可对调。

9.根据权利要求1所述脉冲响应型瞬时电离辐射敏感电子开关，其特征在于：所述PMOS管M1和PMOS管M2类型、尺寸和功能相同，位置可对调。