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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löschen von in einer Schaltung
auftretenden Latch-Ups, wobei bei strombegrenzter Versorgungsspannung
eine Unterspannung detektiert wird, wobei nach Detektieren einer
Unterspannung die Versorgungsspannung mit Hilfe eines abschaltbaren
Spannungsreglers abgeschaltet, in der Schaltung befindliche Ladung
abgebaut und nach einer kurzen Abschaltzeit wieder eingeschaltet
wird.
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Ferner
betrifft die Erfindung Anordnungen zum Durchführen des Verfahrens zum Schutz
von strahlungsempfindlichen aktiven Schaltungskomponenten einer
elektronischen Schaltung.
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In
US 6,064,555 ist ausgeführt, dass
beim Detektieren einer Unterspannung, die an einem Anschluss eines
Strommesswiderstandes gemessen worden ist, ein Latch-Up detektiert
und kurzfristig abgeschaltet.
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In
DE 698 05 188 T2 ist
eine Spannungsregulierungsschaltung beschrieben, bei welcher die
regulierte Spannung einen vorgegebenen Pegel hat. Ferner kann mit
dieser Schaltung ein die Spannung störendes Latch-Up erfasst und
unterdrückt
werden und anschließend
die Spannung auf den vorgegebenen Pegel zurückgestellt werden.
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In
Anwendungsbereichen für
elektronische Schaltungen, in denen aufgrund der Umgebungsbedingungen
hohe Strahlendosen erwartet werden und trotzdem eine lange Haltbarkeit
gefor dert wird, wie beispielsweise bei Anwendungen im Weltraum,
werden derzeit strahlungsresistente Schaltungskomponenten eingesetzt.
Solche strahlungsresistenten Schaltungskomponenten haben den Nachteil,
dass sie zum einen erheblich teurer sind als vergleichbare, nicht
strahlungsresistente Schaltungskomponenten und zum anderen nicht
jeder gewünschte
Integrationsgrad bzw. Schaltungskomponententyp in strahlungsfester
Ausführung
erhältlich
ist.
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Bei
Bestrahlung mit hohen Strahlungsdosen zeigen strahlungsempfindliche
aktive Schaltungskomponenten im wesentlichen zwei Effekte:
- • Langzeiteffekte
(Alterung), wie eine durch Gamma-Strahlung
erzeugte Verschiebung von Arbeitspunkten, oder eine Einlagerung
geladener Teilchen in einen Chip. Diese Effekte sind jedoch in vielen
Fällen
tolerierbar bzw. kompensierbar.
- • Plötzliche
Effekte (Single Event Effects, SEE), wie „Umkippen" einzelner Bits in digitalen Schaltungen,
Entstehen kurzer Pulse in analogen Schaltungen oder bei CMOS-Schaltungskomponenten
auftretende sogenannte Latch-Ups.
- • Letztere
werden dadurch verursacht, dass ionisierende Teilchen, beispielsweise
Alpha-, Beta-, Schwerionen- oder Protonenstrahlung, die parasitär in dem
CMOS-Substrat enthaltenen Thyristoren zünden, was einen schnellen Stromanstieg und – ohne Schutzmaßnahmen – eine Zerstörung der
Schaltungskomponente zur Folge hat.
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Bisherige
Konzepte beschränken
sich darauf, die Stromaufnahme einer Schaltung zu messen und abzuschalten,
wenn die Stromaufnahme einen eingestellten Sollwert übersteigt;
dadurch wird/werden der/die parasitäre/n Thyristor/en gelöscht. Ferner
sind auch Schutzschaltungen gebräuchlich,
mit welchen nur eine Strombegrenzung vorgenommen wird. (Siehe beispielsweise
die Veröffentlichung "Active input filter" von Giulio Simonelli
und Philippe Perol, S. 1–6.)
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Die
bisher eingesetzten Schaltungen haben folgende Nachteile. Eventuelle
zur Filterung der Betriebsspannung in der zu schützenden Schaltung vorhandene
Kondensatoren entladen sich beim Auftreten eines Latch-Up über den
parasitären
Thyristor; dies macht eine Zerstörung
der jeweils betroffenen Schaltungskomponenten noch wahrscheinlicher,
da beispielsweise in einem Chip mehr Energie auf engstem Raum in
Wärme umgesetzt
wird.
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Ferner
fallen Schaltungskomponenten mit einer im Vergleich zu anderen Schaltungskomponenten
geringeren Stromaufnahme, in welchen ein Latch-Up ausgelöst wird,
neben Schaltungskomponenten mit einer höheren Stromaufnahme in der Schaltung
nicht auf, so dass auch keine rechtzeitige Abschaltung vorgenommen
wird bzw. werden kann.
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Schaltungen
mit veränderlicher
oder pulsartiger Stromaufnahme können
ohnehin nur unzureichend geschützt
werden. Ein Spannungsabfall an einem Strom-Messwiderstand führt dazu,
dass die zu schützende
Schaltung mit weniger als der Nominalspannung versorgt wird, insbesondere
dann, wenn deren Stromaufnahme stark schwankt, und somit eine Primärspannungserhöhung zur
Kompensation nicht in Frage kommt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Löschen von Latch-Ups anzugeben,
mit welchem die Nachteile und Beschränkungen der bisher angewendeten
Maßnahmen
beseitigt sind. Um eine Konvertierung strahlungsempfindlicher Schaltungsdesigns
bei Anwendungen mit einer Einwirkung hoher Strahlendosen zu ermöglichen,
ist es ferner Aufgabe der Erfindung, ein Spannungsversorgungskonzept
anzugeben, mit welchem konventionelle, nicht strahlungsresistente
Schaltungskomponenten vor einer Zerstörung bei Auftreten eines Latch-Up
geschützt
sind.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Löschen von Latch-Ups nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die in der Schaltung
befindliche Ladung mittels eines Kurzschlussschalters abgebaut wird,
und dass der abschaltbare Spannungsregler eine Strombegrenzung aufweist,
die beim Wiederhochfahren der Versorgungsspannung kurzzeitig unterdrückt wird. Nach
Ablauf der Entladezeit wird somit die zu schützende Schaltung wieder mit
Spannung versorgt.
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Ferner
wird bei einer Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch
1 zum Schutz von strahlungsempfindlichen aktiven Schaltungselementen
einer elektronischen Schaltung die elektronische Schaltung in Gruppen
von aktiven Schaltungskomponenten mit in einem vorgegebenen Bereich ähnlich großer Stromaufnahme
unterteilt. Hierbei ist mindestens einer dieser Gruppen von aktiven
Schaltungskomponenten mit in einem vorgegebenen Bereich ähnlich großer Stromaufnahme
eine Schutzschaltung zugeordnet.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
geht somit über
ein bisher übliches,
einfaches Abschalten bei Überschreiten
bestimmter Spannungs- oder Stromwerte hinaus. Gemäß dem Grundgedanken
der Erfindung wird die zu schützende
elektronische Schaltung in kleine, vorzugsweise möglichst
kleine Gruppen von Schaltungskomponenten mit ähnlicher, d. h. in einem vorgegebenen
Bereich annähernd
gleich großer Stromaufnahme
aufgeteilt, damit ein Latch-Up in Schaltungskomponenten bzw. Gruppen
von Schaltungskomponenten mit im Vergleich zu anderen Schaltungskomponenten
geringeren Stromaufnahme eindeu tig von normalen Änderungen im Versorgungsstrom
einer Schaltungskomponente bzw. Gruppen von Schaltungskomponenten
mit einer höheren,
gegebenenfalls erheblich größeren Stromaufnahme
unterschieden werden kann.
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Gemäß der Erfindung
ist hierzu für
jede dieser Gruppen von Schaltungskomponenten mit einer ähnlichen,
d. h. in einem vorgegebenen Bereich annähernd gleich großen Stromaufnahme über eine – an die
Versorgungsspannung und Stromaufnahme der jeweiligen Gruppe angepasste – Schutzschaltung vorgesehen,
die einen abschaltbaren Spannungsregler mit einstellbarer Strombegrenzung,
ein Stellglied, einen Vergleicher zur Detektion von Unterspannung, zwei
Monoflops, einen Kurzschlussschalter mit Strombegrenzung und am
Ausgang mindestens einen Kondensator aufweist.
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Um
einen Einfluss des Ausgangsstroms auf die Ausgangsspannung zu vermeiden,
ist die Einheit zur Stromdetektierung vor einer Einheit zur Spannungsregelung
angeordnet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zum Abschalten von
mehreren oder allen Gruppen von aktiven Schaltungskomponenten, welchen
jeweils eine Schutzschaltung zugeordnet ist, eine Signalisierungsleitung
und eine Steuerleitung vorgesehen, welche die Schultzschaltungen
der zusammengefassten Gruppen von aktiven Schaltungskomponenten
ausgangsseitig verbinden. Hierzu sind die Signalleitungen und die
Steuerleitung mit einem zentralen Monoflop verbunden.
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Hierdurch
ist erreicht, dass, sobald ein Latch-Up in einer Gruppe von einer
der Schutzschaltungen detektiert wird, die Signalisierungsleitung
gesetzt und dadurch das zentrale Monoflop gestartet wird. Durch
das zentrale Monoflop werden dann über die Steuerleitung alle
Spannungsregler der einzelnen Schutzschaltungen ausgeschaltet und
alle Kurzschlussschalter dieser Schutzschaltungen aktiviert. Nach
einer vorgegebenen kurzzeitigen Einschaltverzögerung wird durch jeweils in
mehreren oder allen Gruppen von aktiven Schaltungskomponenten einer elektrischen
Schaltung die Versorgungsspannung wieder eingeschaltet und dadurch
die gesamte zu schützende
elektronische Schaltung wieder hochgefahren.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Schaltungstopologie mit einer Latch-Up-Detektion;
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2 eine
Ausführungsform
einer Schutzschaltung zum Schutz einer Gruppe von Schaltungskomponenten,
und
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3 eine
Schaltungsanordnung zum Schutz von mehreren Gruppen von Schaltungskomponenten.
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Entsprechend
dem erfindungsgemäßen Konzept,
eine zu schützende
elektronische Schaltung in vorzugsweise möglichst kleine Gruppen von Schaltungskomponenten
mit ähnlicher,
d. h. in einem vorgegebenen Bereich annähernd gleich großer Stromaufnahme
zu unterteilen, ist in 1 ein Beispiel ei ner Schaltungstopologie
schematisiert dargestellt. In dem wiedergegebenen Beispiel werden
von einem Netzteil ein Zentralrechner CPU sowie beispielsweise ein
Flash-Eprom, ein Analog-Digital-Wandler ADC sowie beispielsweise
zwei RAM-Speicher mit Strom versorgt.
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Gemäß der Erfindung
ist jeder der vorstehend als Beispiel angeführten Schaltungskomponenten
CPU bis RAM eine Schutzschaltung SSG zugeordnet. Auf diese Weise
kann ein Latch-Up in einer der Schaltungskomponenten mit einer verhältnismäßig kleinen
Stromaufnahme eindeutig und zuverlässig von beispielsweise einer Änderung
im Versorgungsstrom einer Schaltungskomponente mit einer erheblich
größeren Stromaufnahme
unterschieden werden.
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Sobald
daher in einer der angeschlossenen Schaltungskomponenten ein Latch-Up
auftritt, steigt in der betroffenen Schaltungskomponente die Stromaufnahme
entsprechend an, worauf ein in der zugeordneten Schutzschaltung
vorgesehener Stromregler eingreift und den Stromfluss in die angeschlossene Schaltungskomponente
begrenzt. Dadurch sinkt die Spannung am Ausgang unter eine vorgegebene
Toleranzschwelle, so dass die Abschaltung der Versorgungsspannung
stattfindet und beispielsweise, was nachstehend im einzelnen noch
näher ausgeführt wird,
ein nachgeordneter Kurzschlussschalter aktiviert wird. Dadurch erfolgt
innerhalb weniger Mikrosekunden ein Sperren des Stroms. Beispielsweise
wird ein durch ein Latch-Up gezündeter
parasitärer
Thyristor somit vor der Zerstörung
der jeweiligen Schaltungskomponente gelöscht.
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Gemäß der Erfindung
kann eine einzelne von dem Latch-Up betroffene Gruppe von Schaltungselementen
abgeschaltet werden oder gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können beim Auftreten eines Latch-Up
in einer Gruppe von Schaltungselementen auch mehrere oder vorteilhafterweise
auch alle Gruppen von Schaltungskomponenten einer elektronischen
Schaltung ausgeschaltet und nach einer kurzzeitigen Verzögerung wieder eingeschaltet
werden, was nachstehend anhand von 3 im einzelnen
näher erläutert wird.
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Wie
in 2 dargestellt, weist eine Schutzschaltung SSG
zur Glättung
der Versorgungsspannung einen Filterkondensator CIN,
einen abschaltbaren linearen Spannungsregler SR mit einstellbarer Strombegrenzung,
einen Komparator COMP zur Unterspannungsdetektion, zwei Monoflops
MFSP und MFZ, einen
Kurzschlussschalter KS mit vorgeschaltetem Strombegrenzer SG und
einen Kondensator COUT am Ausgang auf. Hierbei
kann der Spannungsregler SR beispielsweise zwei Operationsverstärker OP1, OP2, ein Shunt
SH und ein Verstärkerelement VE
aufweisen.
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Die
von einem Netzteil kommende ungeregelte Spannung UIN wird
zunächst
mittels des Filterkondensators CIN geglättet. Mittels
des Shunt SH wird eine dem Stromfluss proportionale Spannung erzeugt.
Im Normalbetrieb der angeschlossenen Schaltung ist diese Spannung
kleiner als UBIAS, weswegen der Operationsverstärker OP1 (Strombegrenzung) des Spannungsreglers
SR nicht in die Regelung eingreift. Mittels des Operationsverstärkers OP2 wird die Ausgangsspannung mit einer vorgegebenen
Sollspannung UREF verglichen und mittels
des Stellglieds SG, das ein bipolarer oder strahlungsfester Feldeffekttransistor
sein kann, solange nachgeregelt, bis die Ausgangsspannung UOUT gleich einer Referenzspannung UREF ist.
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Tritt
nun in einer angeschlossenen Schaltungsgruppe ein Latch-Up auf,
so steigt die Stromaufnahme solange an, bis die Spannung am Shunt
SH gleich der Spannung UBIAS ist. Damit
greift die Strombegrenzung in die Spannungsregelung ein und begrenzt
den Stromfluss in die angeschlossene Schaltungsgruppe. Dadurch sinkt
die Spannung am Ausgang soweit ab, dass sie unter eine Toleranzschwelle (UREF – UTOL) fällt
und dadurch den Komparator COMP auslöst. Der Komparator COMP sperrt
mit Hilfe des Verstärkungselements
VE den Strom und aktiviert den Kurzschlussschalter KS.
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Der
Kurzschlussschalter KS entlädt
innerhalb weniger Mikrosekunden den Kondensator COUT am
Ausgang und alle Kapazitäten,
welche in der zu schützenden
Schaltung selbst die Betriebsspannung stützen. Durch den Strombegrenzer
SG ist der Kurzschlussschalter KS geschützt. Das Monoflop MFZ begrenzt die Abschaltzeit auf einige Millisekunden
und sorgt so für
eine automatische Rückstellung
und ein Wiederanlaufen der Versorgungsspannung. Beim Wiederanlaufen
der Versorgungsspannung sorgt das Monoflop MFSP,
welches die Unterspannungsdetektion unterdrückt, dafür, dass nicht fälschlicherweise eine
Latch-Up-Detektion ausgelöst
wird.
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Durch
das kurzzeitige Abschalten der Versorgungsspannung für die angeschlossene
Gruppe von Schaltungskomponenten wird der durch ein Latch-Up gezündete parasitäre Thyristor
vor der Zerstörung
des betroffenen Bauteils wieder gelöscht. Die Schaltung wird anschließend wieder
neu gestartet.
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Die
vorstehend beschriebene Schaltung wird eingesetzt, wenn beim Auftreten
eines Latch-Up nur eine einzelne Gruppe von Schaltungskomponenten abgeschaltet
und vollkommen entladen werden soll. Häufig wird nicht nur gewünscht, sondern
ist es im allgemeinen auch sehr zweckmäßig und sinnvoll, dass beim
Auftreten eines Latch-Up in einer Gruppe von Schaltungskomponenten
mehrere oder alle Gruppen von Schaltungselementen einer elektronischen
Schaltung aus- und wieder eingeschaltet werden, um Querströme zu vermeiden.
Beispielsweise soll in einer Prozessorschaltung ein Latch-Up in
einem Speicherbaustein zu einem Abschalten und einem Wiederanlaufen
des Prozessors führen.
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In
diesem Fall kommt folgende unter Bezugnahme auf 3 beschriebene
Topologie zur Anwendung:
Im Unterschied zum Abschalten einer
einzelnen Gruppe von Schaltungskomponenten sind zum Abschalten von
mehreren oder allen Gruppen von Schaltungskomponenten einer elektronischen
Schaltung ausgangsseitig eine Signalisierungsleitung SIL und eine
Steuerleitung STL vorgesehen, welche die einzelnen Schutzschaltungen
SSG der Gruppen von Schaltungskomponenten verbinden, und welche
mit einem zentralen Monoflop MFZ verbunden
sind.
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Detektiert
eine der Schutzschaltungen SSG einen Latch-Up, so setzt diese Schutzschaltung
SSG die Signalisierungsleitung SIL. Dadurch wird das zentrale Monoflop
MFZ gestartet, das über die Steuerleitung STL wiederum
alle Spannungsregler SR ausschaltet und alle Kurzschlussschalter
KS aktiviert. Anschließend
wird durch jeweils in mehreren oder allen Gruppen von aktiven Schaltungskomponenten
einer elek trischen Schaltung vorgesehene Monoflops (MFSP)
die Versorgungsspannung wieder hochgefahren.
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Die
gemäß der Erfindung
mehreren oder allen Gruppen von Schaltungskomponenten einer elektronischen
Schaltung zugeordneten Schutzschaltungen SSG weisen gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten "Schutzschaltungen" folgende Vorteile auf:
- • Eine
Integration der Schutzschaltungen SSG ist einfach und platzsparend
möglich,
da ein Spannungsreglerbaustein verwendet werden kann, welcher abschaltbar
ist und bereits Spannungs- und Stromregler, sowie Unterspannungsdetektion enthält.
- • Die
Schwelle, ab welcher eine Strombegrenzung erfolgt, kann von außen durch
eine analoge Spannung eingestellt werden. Dadurch kann die Schutzschwelle
nachgestellt werden, wenn die normale Stromaufnahme der zu schützenden Gruppe
von Schaltungskomponenten (wegen durch Bestrahlung auftretender
höherer
Leckströme)
während
der Einsatzdauer angestiegen ist.
- • Pulsweise
auftretende Ströme,
wie sie Digitalschaltungen erzeugen, werden von einem entsprechend
dimensionierten Filterkondensator am Ausgang gepuffert, so dass
solche pulsweise auftretenden Ströme nicht zur Auslösung einer
der Schutzschaltungen führen
kann.
- • Der
Spannungsabfall am Strommesswiderstand wird ausgeregelt, sodass
der angeschlossenen Schaltung unabhängig von der Stromaufnahme immer
eine konstante Spannung zur Verfügung steht.
- • Bestimmungsgemäß entlädt der Kurzschlussschalter
KS alle angeschlossenen Kondensatoren, sodass die hier gespeicherte
Energie nicht im parasitären
Thyristor der betroffenen Schaltungskomponente vernichtet werden
muss.
- • Diese
Verkopplung vermeidet die Entstehung von Querströmen in komplexen elektrischen Schaltungen
durch die gleichzeitige Aktivierung aller Schutzschaltungen.