RU2770516C1

RU2770516C1 - Method for switching circuits with double redundancy after failures

Info

Publication number: RU2770516C1
Application number: RU2021115974A
Authority: RU
Inventors: Артём Викторович Медведев; Тальгат Рашитович Газизов
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-04-18

Abstract

FIELD: electromagnetic technology.

SUBSTANCE: technical solution relates to redundancy management systems and can be used to ensure electromagnetic compatibility throughout the life cycle of devices with double redundancy. A method for switching circuits with double redundancy after failure is proposed, in which, after the failure of the redundant circuit, switching to a free backup circuit occurs, characterized by switching to the circuit in which the attenuation of conductive emissions will be greater than that of the remaining one.

EFFECT: decrease in the susceptibility of the redundant circuit to external conductive emissions and the level of conductive emissions from the redundant circuit in a structure with double redundancy, taking into account successive failures, is achieved.

1 cl, 4 dwg

Description

Техническое решение относится к системам управления резервированием и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости на всем жизненном цикле устройств с двукратным резервированием.The technical solution relates to redundancy management systems and can be used to ensure electromagnetic compatibility throughout the entire life cycle of devices with double redundancy.

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) всё больше проникает в жизнь общества. При недостаточном внимании к повышению надежности и помехозащищенности РЭА общество становится все более зависимым от неё. Это создает неудобства и проблемы для обычной РЭА и совершенно недопустимо для критичной РЭА, например в транспортной, атомной и военной отраслях. 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.Radio-electronic equipment (REA) is increasingly penetrating into the life of society. With insufficient attention to improving the reliability and noise immunity of REA, society is becoming more and more dependent on it. This creates inconvenience and problems for conventional REE and is completely unacceptable for critical REE, for example, in the transport, nuclear and military industries. A widely known and widespread way to improve reliability is cold redundancy, when, in the event of a failure of a functioning circuit, power is supplied to another, and it is already functioning. During regular operation of REA, standby devices are not used, but multiply increase the mass, size and cost of REA. Protection from conducted effects is usually achieved by including noise protection devices, and from radiated ones - by shielding, which also increases the mass, size and cost of REA, but is often unacceptable: for example, in spacecraft, submarines and in mass production, respectively.

Известен способ двукратного резервирования цепей [A.V. Medvedev, Studying the switching order for a three-wire structure with modal reservation after failures, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 919, pp. 1–6, 2020.], включающий трассировку резервируемых и резервных проводников с опорным проводником в виде отдельного слоя, так что цепи имеют один опорный проводник, резервируемые и резервные проводники одноименных цепей прокладываются параллельно друг другу, на одном слое, с минимально технологически допустимым зазором между резервируемым и резервным проводниками, вдоль которых этот зазор заполняется материалом с относительной диэлектрической проницаемостью, большей, чем у материала подложки печатной платы.There is a method of double redundancy of circuits [A.V. Medvedev, Studying the switching order for a three-wire structure with modal reservation after failures, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 919, pp. 1–6, 2020.], which includes the routing of redundant and reserve conductors with a reference conductor in the form of a separate layer, so that the circuits have one reference conductor, redundant and reserve conductors of the same circuits are laid parallel to each other, on the same layer, with the minimum technologically permissible gap between the redundant and reserve conductors, along which this gap is filled with a material with a relative permittivity greater than that of the printed circuit board substrate material.

Наиболее близким по техническому решению является выбранный за прототип обычный способ переключения холодного резервирования после отказов [Q. Zhai, L Xing, R. Peng, Reliability analysis of cold standby system with scheduled backups, 2015 Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), pp. 1–6, 2015.], когда после выхода из строя резервируемой цепи подается питание на любую резервную, и функционирует уже она. Недостатком этого способа является высокая восприимчивость резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и высокий уровень кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи в структуре с двукратным резервированием после отказов.The closest technical solution is chosen for the prototype conventional method of switching cold redundancy after failures [Q. Zhai, L Xing, R. Peng, Reliability analysis of cold standby system with scheduled backups, 2015 Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), pp. 1–6, 2015.], when, after the failure of the redundant circuit, power is supplied to any reserve circuit, and it is already functioning. The disadvantage of this method is the high susceptibility of the redundant circuit to external conducted emissions and the high level of conducted emissions from the redundant circuit in a structure with double redundancy after failures.

Предлагается cпособ переключения цепей с двукратным резервированием после отказа, при котором после отказа резервируемой цепи происходит переключение на свободную резервную цепь, отличающийся переключением на ту цепь, при которой ослабление кондуктивных эмиссий будет больше, чем у оставшейся.A method is proposed for switching circuits with double redundancy after a failure, in which, after a failure of the redundant circuit, switching to a free reserve circuit occurs, differing in switching to the circuit in which the attenuation of conducted emissions will be greater than that of the remaining one.

Технический результат – уменьшение восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уровня кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи в структуре с двукратным резервированием с учетом последовательных отказов.EFFECT: reduced susceptibility of the redundant circuit to external conducted emissions and the level of conducted emissions from the redundant circuit in a structure with double redundancy, taking into account successive failures.

Технический результат достигается за счет того, что помеховый импульс, длительность которого меньше минимальной разности задержек мод в структуре многопроводной линии, образованной тремя проводниками резервируемой и резервных цепей, подвергается модальным искажениям: разложению на импульсы меньшей амплитуды (при рассмотрении сигнала во временной области). При этом, после последовательных отказов и переключения на резервную цепь, напряжения каждого из импульсов изменяются по разному и влияют на максимальное напряжение. Это реализуется в структуре с двукратным резервированием цепей.The technical result is achieved due to the fact that the interference pulse, the duration of which is less than the minimum mode delay difference in the structure of a multi-wire line formed by three conductors of the redundant and standby circuits, is subjected to modal distortion: decomposition into pulses of lower amplitude (when considering the signal in the time domain). At the same time, after successive failures and switching to the backup circuit, the voltages of each of the pulses change in different ways and affect the maximum voltage. This is implemented in a structure with double redundant circuits.

Фиг 1. Поперечное сечение для моделирования структуры с двукратным резервированием, где П(1–3) – проводник, О – опорный проводник.Fig. 1. Cross section for modeling a structure with double redundancy, where P(1–3) is the conductor, O is the reference conductor.

Фиг. 2. Принципиальная схема для моделирования структуры, где УП – устройство переключения, где 1-7 – узлы.Fig. 2. Schematic diagram for modeling the structure, where UE is a switching device, where 1-7 are nodes.

Фиг. 3. Варианты выбора активного проводника после последовательных отказов на одном из концов активного проводника для структуры c двукратным резервированием.Fig. 3. Options for choosing an active conductor after successive failures at one of the ends of the active conductor for a structure with double redundancy.

Фиг. 4. Зависимости максимальных напряжений на выходе резервируемой цепи от номера отказа для каждого из вариантов переключения и активных проводников П1 и П2.Fig. 4. Dependences of the maximum voltages at the output of the redundant circuit on the number of failure for each of the switching options and active conductors P1 and P2.

Достижимость технического результата продемонстрирована на примере распространения импульсной помехи с амплитудой 2 В с длительностями фронта, спада и плоской вершины по 100 пс в структуре с двукратным резервированием общей длиной 1 м с учетом последовательных отказов.The feasibility of the technical result is demonstrated by the example of the propagation of impulse noise with an amplitude of 2 V with rise, fall and flat top durations of 100 ps in a structure with double redundancy with a total length of 1 m, taking into account successive failures.

Геометрические параметры структуры (Фиг. 1.): ширина проводника w = 185 мкм, толщина проводника t = 36 мкм, толщина диэлектрика h = 200 мкм, а диэлектрическая проницаемость ε_r ₁ = 30, ε_r ₂ = 4.Geometrical parameters of the structure (Fig. 1.): conductor width w = 185 μm, conductor thickness t = 36 μm, dielectric thickness h = 200 μm, and dielectric constant ε _r ₁ = 30, ε _r ₂ = 4.

Сопротивления резисторов R1 – R6 до отказов выбраны равными 50 Ом (для согласования структуры с стандартным трактом 50 Ом) (Фиг. 2.). В случае последовательных отказов каждой цепи предполагается, что устройство переключения (УП) передает функции резервированной цепи резервной. При моделировании номиналы резисторов для активных проводников, остаются равными 50 Ом, а для пассивных – 50 Ом, а также 1 МОм (холостой ход) и 1 мкОм (короткое замыкание) для имитации различных вариантов отказов после переключения.The resistances of resistors R 1 - R 6 before failures are chosen equal to 50 Ohm (to match the structure with a standard 50 Ohm path) (Fig. 2.). In the event of successive failures of each circuit, it is assumed that the switching device (SM) transfers the functions of the redundant circuit to the standby one. In the simulation, the resistor values for active conductors remain 50 Ω, and for passive conductors 50 Ω, as well as 1 MΩ (idle) and 1 µΩ (short circuit) to simulate various failure modes after switching.

На Фиг. 3 представлены варианты выбора активного проводника после последовательных отказов на одном из концов активного проводника для структуры c двукратным резервированием. При активном П1 до отказов, после отказа 1 можно переключиться на любой из двух свободных проводников, но у них будут различные характеристики. Таким образом, появляются два варианта переключения. После отказа 2, для каждого из двух вариантов остается один свободный проводник, на который можно переключиться. При активном П2 до отказов, после отказа 1 можно переключиться на любой из двух свободных проводников, но у них будут одинаковые характеристики из-за симметрии (Фиг. 1). После отказа 2, для каждого из двух вариантов остается один свободный проводник, на который можно переключиться, и их характеристики будут одинаковы.On FIG. 3 shows options for choosing an active conductor after successive failures at one of the ends of the active conductor for a structure with double redundancy. With active P1 before failures, after failure 1, you can switch to either of the two free conductors, but they will have different characteristics. Thus, there are two switching options. After failure 2, for each of the two options, there is one free conductor to which you can switch. With active P2 before failures, after failure 1, you can switch to either of the two free conductors, but they will have the same characteristics due to symmetry (Fig. 1). After failure 2, for each of the two options there is one free conductor to which you can switch, and their characteristics will be the same.

Импульсная помеха подавалась между резервируемой трассой (активный проводник) и опорным проводником (Фиг. 2). Отметим, что из-за симметрии структуры исследуются только те формы напряжений, которые не идентичны при различных вариантах отказов. Так, например, формы напряжений при активном проводнике П1 при 50–50 (на ближнем-на дальнем концах на П2), 50–50 (на ближнем-на дальнем концах на П3) идентичны формам напряжений при активном проводнике П3, как видно из Фиг. 1. Также формы напряжений идентичны, если граничные условия на пассивных проводниках при различных вариантах отказа симметричны. Например, форма напряжения варианта 50–50 на П1, 50–КЗ на П3 идентична 50–50 на П1, КЗ–50 на П3 и т.д.Impulse noise was applied between the reserved path (active conductor) and the reference conductor (Fig. 2). Note that due to the symmetry of the structure, only those stress forms that are not identical for different failure modes are investigated. So, for example, the voltage forms with active conductor P1 at 50–50 (at the near-at the far ends on P2), 50–50 (at the near-far ends at P3) are identical to the voltage forms with the active conductor P3, as can be seen from Fig. 1. Also, the voltage forms are identical if the boundary conditions on the passive conductors are symmetrical for various failure options. For example, the voltage shape of the 50–50 option on P1, 50–KZ on P3 is identical to 50–50 on P1, KZ–50 on P3, etc.

На Фиг. 4 приведены зависимости максимальных напряжений на выходе резервируемой цепи от номера отказа для каждого из вариантов переключения и активных проводников П1 и П2. При активном П1 после отказа 1 для варианта 1 наблюдается увеличение максимального напряжения с 0,5 В до 0,63 В, а для варианта 2 не изменяется (0,5 В). После отказа 2 для варианта 1 оно уменьшается до 0,53 В, а для варианта 2 увеличивается до 0,688 В. При активном П2 после отказа 1 наблюдается уменьшение максимального напряжения с 58 В до 0,5 В, а для варианта 2 – увеличение до 0,53 В. Таким образом, для данной структуры оптимален вариант при активном проводнике П2 (с порядком переключения проводников 2–1–3 или 2–3–1), так как значения максимального напряжения после отказов 1 и 2 минимальны из всех вариантов и равны 0,5 В и 0,53 В.In Fig. 4 shows the dependences of the maximum voltages at the output of the redundant circuit on the number of failure for each of the switching options and active conductors P1 and P2. With active P1 after failure 1, for option 1, an increase in the maximum voltage from 0.5 V to 0.63 V is observed, and for option 2 it does not change (0.5 V). After failure 2 for option 1, it decreases to 0.53 V, and for option 2 it increases to 0.688 V. With active P2, after failure 1, there is a decrease in the maximum voltage from 58 V to 0.5 V, and for option 2 - an increase to 0 .53 V. Thus, for this structure, the optimal option is with active conductor P2 (with the switching order of conductors 2–1–3 or 2–3–1), since the values of the maximum voltage after failures 1 and 2 are minimal of all options and are equal to 0.5V and 0.53V.

Результаты моделирования показывают, что предлагаемый способ переключения двукратного резервирования цепей после отказов позволяет уменьшить восприимчивость резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уровень кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи после последовательных отказов. Таким образом, технический результат достигается.The simulation results show that the proposed method for switching double redundant circuits after failures makes it possible to reduce the susceptibility of the redundant circuit to external conducted emissions and the level of conducted emissions from the redundant circuit after successive failures. Thus, the technical result is achieved.

Claims

A method of switching circuits with double redundancy after a failure, in which, after a failure of the redundant circuit, switching to a free reserve circuit occurs, characterized by switching to a reserve circuit, in which the attenuation of conducted emissions will be greater than that of the remaining one.