Способ переключения цепей с двукратным резервированием после отказов
Владельцы патента RU 2770516:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (RU)
Техническое решение относится к системам управления резервированием и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости на всем жизненном цикле устройств с двукратным резервированием. 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. Достигается уменьшение восприимчивости резервируемой цепи к внешним кондуктивным эмиссиям и уровня кондуктивных эмиссий от резервируемой цепи в структуре с двукратным резервированием с учетом последовательных отказов. 4 ил.
Техническое решение относится к системам управления резервированием и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости на всем жизненном цикле устройств с двукратным резервированием.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Фиг 1. Поперечное сечение для моделирования структуры с двукратным резервированием, где П(1–3) – проводник, О – опорный проводник.
Фиг. 2. Принципиальная схема для моделирования структуры, где УП – устройство переключения, где 1-7 – узлы.
Фиг. 3. Варианты выбора активного проводника после последовательных отказов на одном из концов активного проводника для структуры c двукратным резервированием.
Фиг. 4. Зависимости максимальных напряжений на выходе резервируемой цепи от номера отказа для каждого из вариантов переключения и активных проводников П1 и П2.
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.
Геометрические параметры структуры (Фиг. 1.): ширина проводника w = 185 мкм, толщина проводника t = 36 мкм, толщина диэлектрика h = 200 мкм, а диэлектрическая проницаемость εr1 = 30, εr2 = 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.
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.
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.
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.
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.
Способ переключения цепей с двукратным резервированием после отказа, при котором после отказа резервируемой цепи происходит переключение на свободную резервную цепь, отличающийся переключением на резервную цепь, при которой ослабление кондуктивных эмиссий будет больше, чем у оставшейся.
