RU2738955C1

RU2738955C1 - Method of triple backup of interconnections

Info

Publication number: RU2738955C1
Application number: RU2019138502A
Authority: RU
Inventors: Виталий Расимович Шарафутдинов; Тальгат Рашитович Газизов; Артем Викторович Медведев
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-12-21

Abstract

FIELD: electrical equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the design of printed circuit boards, specifically to methods of their redundancy. For this purpose, the chain redundancy method includes arrangement and routing of the redundant and backup circuits so that the redundant circuit layout and routing are performed on the upper layer of the substrate, the signal conductors are performed by means of gaps in the support conducting plate, and the backup circuit layout and routing are made on the substrate lower layer in a mirror manner to the upper layer, redundant and reserve signal conductors of the same circuits are arranged one under the other, and the remaining conductors are electrically connected to each other, wherein the signalling like circuits are laid by two pairs, parallel to each other, on the upper and lower layers, wherein the upper layer pair is arranged in a mirror manner to the lower layer, so that any of four conductors can be used as a reserved conductor, and other three conductors may be reserved for it.

EFFECT: technical result is possibility of 3-fold redundancy, layout and routing of backup circuit in same layer as reserved circuit and reduction of susceptibility of redundant circuit to external conductive actions.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к конструированию печатных плат, конкретно к способам их резервирования.The invention relates to the design of printed circuit boards, specifically to methods for their redundancy.

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) все больше проникает в жизнь общества. При недостаточном внимании к повышению надежности и помехозащищенности РЭА общество становится все более зависимым от нее. Это создает неудобства и проблемы для обычной РЭА и совершенно недопустимо для РЭА, например в транспортной, атомной и военной отраслях.Radio electronic equipment (CEA) is increasingly penetrating the life of society. With insufficient attention to improving the reliability and noise immunity of electronic equipment, society becomes more and more dependent on it. This creates inconveniences and problems for conventional electronic equipment and is completely unacceptable for electronic equipment, for example, in the transport, nuclear and military industries.

Широко известным и распространенным путем повышения надежности является холодное резервирование, когда при выходе из строя функционирующей цепи подается питание на другую, и функционирует уже она. При штатной работе РЭА резервные устройства не используются, но кратно увеличивают массу, размеры и стоимость РЭА. Защита от кондуктивных воздействий обычно достигается за счет включения помехозащитных устройств, а от излучаемых- за счет экранирования, что также увеличивает массу, размеры и стоимость РЭА, но часто неприемлемо: например, в космических аппаратах, подводных лодках и при массовом производстве соответственно. Таким образом, актуально повышение надежности и помехозащищенности РЭА за счет поиска новых способов для этого. В этой связи показательна работа [Новый способ трассировки печатных проводников цепей с резервированием / Т.Р. Газизов, П.Е. Орлов, A.M. Заболоцкий, Е.Н. Буичкин // Доклады ТУСУР. - 2015. - №3 - С. 129-131], в которой впервые предложено объединить резервирование и модальную фильтрацию в единое целое, на основе чего предложен и обоснован новый способ трассировки печатных трасс для цепей с резервированием, позволяющий повысить помехозащищенность РЭА.A well-known and widespread way of increasing reliability is cold backup, when, when a functioning circuit fails, power is supplied to another, and it already functions. During normal operation of the electronic equipment, backup devices are not used, but they multiply the weight, size and cost of the electronic equipment. Protection against conductive influences is usually achieved through the inclusion of anti-jamming devices, and against radiated ones, through shielding, which also increases the mass, size and cost of electronic equipment, but is often unacceptable: for example, in spacecraft, submarines, and in mass production, respectively. Thus, it is important to increase the reliability and noise immunity of electronic equipment by searching for new ways to do this. In this regard, indicative of the work [A new way of tracing printed circuit conductors with redundancy / T.R. Gazizov, P.E. Orlov, A.M. Zabolotsky, E.N. Buichkin // Reports of TUSUR. - 2015. - №3 - P. 129-131], in which for the first time it is proposed to combine redundancy and modal filtering into a single whole, on the basis of which a new method of tracing printed traces for redundant circuits is proposed and substantiated, which allows to increase the noise immunity of electronic equipment.

Широкий ряд способов предназначен для 1-кратного резервирования межсоединений (резервируемое и резервирующее), а между тем в критичных приложениях может требоваться более высокая надежность. Для этого предложен способ 3-кратного резервирования межсоединений (резервируемое и три резервирующих) [Пат. 2663230 РФ МПК Н04В 15/02. Способ трехкратного резервирования цепей в многослойных печатных платах / Т.Р. Газизов, П.Е. Орлов, В.Р. Шарафутдинов. - №2017113045/07; заявл. 14.04.2017, опубл. 02.08.2018. Бюл. №22. - 3 с.]. Он предназначен для многослойных печатных плат и нереализуем на двусторонних печатных платах (ДПП). Между тем удорожание из-за 3-кратного резервирования актуально компенсировать, если не полностью, то частично, что можно сделать за счет простоты конструкции и дешевизны изготовления ДПП.A wide range of methods are available for 1-fold redundancy of interconnects (redundant and redundant), while higher reliability may be required in critical applications. For this, a method is proposed for 3-fold redundancy of interconnections (redundant and three redundant) [US Pat. 2663230 RF IPC Н04В 15/02. Method of triple redundancy of circuits in multilayer printed circuit boards / T.R. Gazizov, P.E. Orlov, V.R. Sharafutdinov. - No. 2017113045/07; declared 04/14/2017, publ. 02.08.2018. Bul. No. 22. - 3 p.]. It is intended for multilayer printed circuit boards and is not realizable on double-sided printed circuit boards (DPP). Meanwhile, the rise in price due to 3-fold redundancy is important to compensate, if not completely, then partially, which can be done due to the simplicity of the design and the low cost of manufacturing the DPP.

Наиболее близким по техническому решению является выбранный за прототип способ резервирования, который пригоден для ДПП [Патент РФ на изобретение №2603843. Газизов Т.Р., Орлов П.Е., Шарафутдинов В.Р., Кузнецова-Таджибаева О.М., Заболоцкий A.M., Куксенко С.П., Буичкин Е.Н. Способ резервирования для печатных плат. Заявка №2015137547. Приоритет изобретения 02.09.2015. Опубликовано: 10.12.2016 Бюл. №34]. Но его недостатками являются однократность резервирования, невозможность компоновки и трассировки резервной цепи в том же слое, что и резервируемой цепи, незначительное уменьшение восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным воздействиям.The closest technical solution is the backup method selected for the prototype, which is suitable for DPP [RF patent for invention No. 2603843. Gazizov T.R., Orlov P.E., Sharafutdinov V.R., Kuznetsova-Tadjibaeva O.M., Zabolotskiy A.M., Kuksenko S.P., Buichkin E.N. Redundancy method for printed circuit boards. Application No. 2015137547. Priority of the invention 09/02/2015. Published: 10.12.2016 Bul. No. 34]. But its disadvantages are one-time redundancy, the impossibility of arranging and routing the redundant circuit in the same layer as the redundant circuit, a slight decrease in the susceptibility of the redundant circuit to external conductive influences.

Предлагается способ резервирования цепей, включающий компоновку и трассировку резервируемой и резервной цепей, так что компоновка и трассировка резервируемой цепи выполняются на верхнем слое подложки, сигнальные проводники выполняются за счет зазоров в опорной проводящей пластине, а компоновка и трассировка резервной цепи выполняются на нижнем слое подложки зеркально верхнему слою, резервируемые и резервные сигнальные проводники одноименных цепей располагаются друг под другом, а оставшиеся проводники электрически соединяются друг с другом, отличающийся тем, что сигнальные одноименные цепи прокладываются двумя парами, параллельно друг другу, на верхнем и нижнем слоях, причем пара верхнего слоя расположена зеркально нижнему слою, так что в качестве резервируемого проводника может выступать любой из четырех проводников, а другие три проводника будут являться для него резервными.A method of circuit redundancy is proposed, including the layout and routing of the redundant and redundant circuits, so that the layout and routing of the redundant circuit is performed on the upper layer of the substrate, the signal wires are performed due to gaps in the supporting conductive plate, and the layout and routing of the backup circuit is performed on the lower layer of the substrate in a mirror image the upper layer, redundant and redundant signal conductors of the same-named circuits are located under each other, and the remaining conductors are electrically connected to each other, characterized in that the signal circuits of the same name are laid in two pairs, parallel to each other, on the upper and lower layers, and the pair of the upper layer is located mirrored to the lower layer, so that any of the four conductors can act as a redundant conductor, and the other three conductors will be redundant for it.

Техническим результатом является возможность 3-кратного резервирования, компоновки и трассировки резервной цепи в том же слое, что и резервируемой цепи, и уменьшения восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным воздействиям.The technical result is the possibility of 3-fold redundancy, arrangement and routing of the redundant circuit in the same layer as the redundant circuit, and reducing the susceptibility of the redundant circuit to external conductive influences.

Технический результат достигается за счет того, что помеховый импульс, длительность которого меньше минимальной разности задержек в структуре многопроводной линии передачи, образованной резервируемой и резервными цепями, подвергается модальным искажениям: разложению на импульсы меньшей амплитуды (при рассмотрении во временной области).The technical result is achieved due to the fact that the interference pulse, the duration of which is less than the minimum delay difference in the structure of the multi-wire transmission line formed by the redundant and backup circuits, is subjected to modal distortion: decomposition into pulses of lower amplitude (when considered in the time domain).

Достижимость технического результата продемонстрирована на примере распространения импульса с ЭДС 2 В с длительностями фронта, спада и плоской вершины по 100 пс в структуре длиной 1 м. Геометрические параметры поперечного сечения (фиг. 1а) структуры: w=0,185 мм, w₁=100 мм, s=0,315 мм, d=0,630 мм, t=0,035 мм. Толщина диэлектрической подложки h=0,5 мм; диэлектрическая проницаемость подложки ε_r=4,5. Номинал резисторов R1-R8 (фиг. 1б) взят равным (R=132 Ом) диагональным значениям (они одинаковы) матрицы импедансов Z. При моделировании опорным проводником полагался один из 4 крайних проводников, тогда как 3 остальных полагались соединенными с ним на концах.The achievability of the technical result is demonstrated by the example of the propagation of a pulse with an EMF of 2 V with rise time, fall and flat top durations of 100 ps each in a structure 1 m long. Geometric parameters of the cross-section (Fig.1a) of the structure: w = 0.185 mm, w ₁ = 100 mm , s = 0.315 mm, d = 0.630 mm, t = 0.035 mm. Dielectric substrate thickness h = 0.5 mm; dielectric constant of the substrate ε _r = 4.5. The value of the resistors R1-R8 (Fig.1b) is taken equal (R = 132 Ohm) to the diagonal values (they are the same) of the impedance matrix Z. In the simulation, one of the 4 extreme conductors was assumed to be the reference conductor, while the other 3 were assumed to be connected to it at the ends.

Импульс подавался между резервируемым проводником (А) и одним из опорных (О). Функцию резервных проводников выполняют пассивные (П). Результаты квазистатического моделирования в системе TALGAT [Новые возможности системы моделирования электромагнитной совместимости TALGAT / С.П. Куксенко, A.M. Заболоцкий, А.О. Мелкозеров, Т.Р. Газизов // Доклады ТУСУР. - 2015. - №2 (36). - С. 45-50] временного отклика на ближнем и дальнем концах резервируемого проводника (точки V1 и V5 на фиг. 1б) показывают импульсы разложения с амплитудами около 0,25 В, т.е. ослабление 4 раза по отношению к половине ЭДС (фиг. 1, в), тогда как в прототипе оно 0,5 В, т.е. 2 раза. Разложение импульсной помехи на импульсы меньшей амплитуды (и, как следствие, уменьшение восприимчивости резервируемого проводника к внешним кондуктивным воздействиям) обусловлено разностью задержек мод в структуре. В случае подачи импульсной помехи между любым из пассивных проводников и опорным, на дальнем конце активного проводника будет наблюдаться аналогичный временной отклик.A pulse was applied between the reserved conductor (A) and one of the reference conductors (O). The function of reserve conductors is performed by passive (P). Results of quasi-static modeling in the TALGAT system [New capabilities of the TALGAT electromagnetic compatibility modeling system / S.P. Kuksenko, A.M. Zabolotsky, A.O. Melkozerov, T.R. Gazizov // Reports of TUSUR. - 2015. - No. 2 (36). - P. 45-50] of the time response at the near and far ends of the reserved conductor (points V1 and V5 in Fig. 1b) show decomposition pulses with amplitudes of about 0.25 V, i. attenuation 4 times with respect to half of the EMF (Fig. 1, c), while in the prototype it is 0.5 V, i.e. 2 times. The decomposition of the impulse noise into pulses of lower amplitude (and, as a consequence, a decrease in the susceptibility of the reserved conductor to external conductive influences) is due to the difference in the mode delays in the structure. If an impulse noise is applied between any of the passive conductors and the reference, a similar time response will be observed at the far end of the active conductor.

Таким образом, результаты моделирования показывают, что предложенный способ трехкратного резервирования межсоединений на ДПП позволяет уменьшить восприимчивость к внешним кондуктивным воздействиям.Thus, the simulation results show that the proposed method of threefold redundancy of interconnections on the DPP allows to reduce the susceptibility to external conductive influences.

Claims

A circuit redundancy method involving the layout and routing of the redundant and redundant circuits so that the layout and routing of the redundant circuit is done on the top layer of the substrate, signal wires are done by gaps in the conductive support plate, and the layout and routing of the backup circuit is done on the bottom layer of the substrate mirrored to the top layer, redundant and backup signal conductors of the same circuit are located one under the other, and the remaining conductors are electrically connected to each other, characterized in that the signal circuits of the same name are laid in two pairs, parallel to each other, on the upper and lower layers, and the pair of the upper layer is mirrored the bottom layer, so that any of the four conductors can act as a redundant conductor, and the other three conductors will be redundant for it.