一种空间环境下集成电路闩锁保护系统及方法与流程

文档序号:11108098阅读:895来源:国知局
一种空间环境下集成电路闩锁保护系统及方法与制造工艺

本发明涉及一种空间环境下集成电路闩锁保护系统及方法,属于空间环境下的集成电路领域。



背景技术:

在空间辐射等复杂环境中,电子系统中半导体器件容易受到单粒子闩锁效应的危害而产生异常,会导致电子器件局部电流、功耗增加以及热能累积,若不及时处理,器件温度将持续上升,最终造成永久性烧损,成为不可恢复的故障。因此,针对复杂环境下电子系统的单粒子闩锁效应的电源保护系统值得研究。

在空间环境下,充满了各种粒子,如质子、电子、α粒子、重离子、γ粒子等,这些粒子引起的辐射效应,尤其是单粒子效应,影响着电子设备的可靠性,本文所面向的问题是单粒子闩锁效应带来的影响。单粒子闩锁效应多发生在CMOS集成电路中,出现寄生的PNPN半导体结构,因为有正反馈原理,会产生低阻大电流现象。因为COMS器件本身具有的P+NPN+四层结构,形成两个寄生三极管。如图2所示,P+型漏区,N型阱与P型衬底形成纵向寄生的PNP三级晶体管;N型阱、P型衬底与N+漏区形成横向寄生NPN三级晶体管。一般情况下,寄生的三极管处在高阻关断状态,当高能粒子照射在器件上后,会在位于衬底中引发电子空穴对,能够引起晶体管导通,会有电流通过。因为寄生三极管工作在正向放大区,通过正反馈原理,致使通过寄生三极管的电流一直增加,通过正反馈回路引起大电流再生状态,即闩锁,闩锁出现后,电流可以上升至毫安量级,这样的巨大电流会引起器件局部温度过高,甚至会使器件表面温度达到上百摄氏度。高温将导致器件永久性毁坏。如果器件在闩锁状态,切断输入输出信号也很难回到原来未闩锁的状态,只能切断电源,重新上电,使电路恢复正常工作。

目前的集成电路中,具有多样的电源需求,需要多路电源供电,而且在系统启动过程中,对电源的上电顺序有着比较严格的要求。因此,在多电源供电的集成电路中,对多路电源需要进行集中管理,而且需要较为精确地控制其上电顺序,保证系统能够正常的启动。



技术实现要素:

本发明的目的是为了解决现有技术的闩锁在使用中可能由于电路急剧上升而导致器件永久性损坏,并且很难回到原来的未闩锁状态的缺点,而提出一种空间环境下集成电路闩锁保护系统及方法,空间环境下集成电路闩锁保护系统包括FPGA芯片以及多电源供电集成电路,还包括多路电源限流电路,其中:

所述多路电源限流电路包括至少一个多路电源限流单元;所述多路电源限流单元包括限流芯片以及MOS管;

所述多电源供电集成电路包括与所述多路电源限流单元个数对应的至少一个电源;

所述MOS管的栅极与所述FPGA芯片的MOS管控制端连接,用于根据从所述MOS管控制端的控制信号进行开启或关断;所述MOS管的源极与所述限流芯片的电压输入端连接;所述MOS管的漏极与所述限流芯片的电压输出端连接;

所述限流芯片具有电压输入端、电压输出端、使能端以及过流信号输出端;所述电压输入端与外部电源连接;所述电压输出端与所述多电源供电集成电路的电压输入端连接,用于控制与所述限流芯片对应的电源上电;所述使能端与所述FPGA芯片的限流使能控制端连接,所述过流信号输出端与FPGA芯片的过流处理端连接。

本发明还提供了一种空间环境下集成电路闩锁保护方法,包括如下步骤:

复位步骤,在接收到复位信号后,关断MOS管和限流芯片,将用于表征第i路电源等待时间的等待时间数组time[i]其中的i设置为1,将用于表征电源上电后已等待时间的计时变量count的值设置为0;

上电步骤,根据集成电路的上电顺序,控制第i路多路电源限流单元的MOS管导通,以使第i路电源上电,并使count由0开始每个时钟周期加1,当count的值大于time[i]的值时,对第i+1路电源进行上电,直到全部N路电源上电;

上电判断步骤,根据集成电路启动成功的标志信号判断系统是否上电成功,如果上电失败,则执行复位步骤;如果上电成功,则进入监控状态,使能各路限流芯片,在各路限流芯片均进入工作状态后,关断各路的MOS管,并检测各路限流芯片的过流信号;

过流判断步骤,若过流信号有效,则表示电源电流异常,则执行复位步骤;若过流信号无效,则表示电源电流正常,继续保持监控状态。

本发明的有益效果为:可以调节限制电流,能根据电阻分压等原理调节限流电流值;可以电压输出来使能控制信号;当通过限流芯片的电流超过设定的电流值后,会产生过流信号,从而防止由于过流而导致的器件永久性损坏。并且同是结合了MOS管和限流芯片,在上电启动过程中,导通MOS管,电流从MOS管中通过,不限流,保证集成电路正常启动;启动完成后,使能限流芯片,在限流芯片工作起来后,断开MOS管,电流仅从限流芯片中通过,进入电流限流监控模式,保证系统不受闩锁故障损坏。

附图说明

图1为本发明实施例的空间环境下集成电路闩锁保护系统的原理图;

图2(a)为单粒子闩锁效应的原理示意图;

图2(b)为图2(a)的示意图对应的等效电路图;

图3为本发明的多路电源限流电路的电路结构图;

图4为本发明的多路电源监控模块的工作状态转换图。

具体实施方式

在空间辐射等复杂环境中,针对空间单粒子闩锁效应对集成电路可能造成的局部电流、功耗增加的危险,需要实时对各路电源的电流进行监控,当发生闩锁故障时,某一路电源的电流会增加,因此,需要对各路电源进行限流,设定合适的阈值,当电流超出该阈值时,进行限流,并能产生过流信号提示控制器产生了单粒子闩锁故障,进行断电重启。但发生闩锁故障时,电流的增加是一个相对缓慢的过程,因此对电源控制的实时性要求不高,为毫秒级别。

在集成电路上电启动时,往往比正常工作时需要的电流要大,因此在设计限流电路的时候需要考虑系统上电启动时需要较大电流的问题。

下面具体说明本发明的实施方式:

具体实施方式一:本实施方式的空间环境下集成电路闩锁保护系统,如图1所示,包括FPGA芯片以及多电源供电集成电路,还包括多路电源限流电路,其中:

多路电源限流电路包括至少一个多路电源限流单元;多路电源限流单元包括限流芯片以及MOS管;

MOS管的栅极与所述FPGA芯片的MOS管控制端MOS_EN连接,用于根据从MOS管控制端MOS_EN的控制信号进行开启或关断;MOS管的源极与限流芯片的电压输入端Vin连接;MOS管的漏极与限流芯片的电压输出端Vout连接;

限流芯片具有电压输入端Vin、电压输出端Vout、使能端EN以及过流信号输出端Fault,电压输入端Vin与外部电源VCC连接,电压输出端Vout与多电源供电集成电路的电压输入端连接,使能端EN与FPGA芯片的限流使能控制端连接,过流信号输出端Fault与FPGA芯片的过流处理端连接。

具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:FPGA芯片包括多路电源监控模块以及至少一个输入信号处理模块,所述输入信号处理模块具有过流处理端,且与所述限流芯片的过流信号输出端对应连接;所述多路电源监控模块用于执行如下步骤:

复位步骤,在接收到复位信号后,关断MOS管和限流芯片,将用于表征第i路电源等待时间的等待时间数组time[i]其中的i设置为1,将用于表征电源上电后已等待时间的计时变量count的值设置为0;

上电步骤,根据集成电路的上电顺序,控制第i路多路电源限流单元的MOS管导通,以使第i路电源上电,并根据time[i]的值等待预定的时长,当达到预定的时长后,对第i+1路电源进行上电,直到全部N路电源上电;

上电判断步骤,根据集成电路启动成功的标志信号判断系统是否上电成功,如果上电失败,则执行复位步骤;如果上电成功,则进入监控状态,使能各路限流芯片,在各路限流芯片均进入工作状态后,关断各路的MOS管,并检测各路限流芯片的过流信号;

过流判断步骤,若过流信号有效,则表示电源电流异常,则执行复位步骤;若过流信号无效,则表示电源电流正常,继续保持监控状态。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:所述输入信号处理模块用于滤波以及采沿,以剔除输入信号的毛刺。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:限流芯片可以为TPS2553芯片。但本领域内技术人员应当清楚,限流芯片还可以是其他型号的限流配电开关,或者能够满足限流功能的其他芯片。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:上电步骤中,控制第i路多路电源限流单元的MOS管导通,以使第i路电源上电的具体过程为:

多路电源监控模块通过控制输入信号处理模块的MOS管控制端,控制第i路多路电源限流单元的MOS管导通,从而使限流芯片输入输出短接,以使第i路电源上电。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六:本实施方式的空间环境下集成电路闩锁保护方法包括如下步骤:

复位步骤,在接收到复位信号后,关断MOS管和限流芯片,将用于表征等待时间的等待时间数组time[i]其中的i设置为1,将用于表征电源上电后已等待时间的计时变量count的值设置为0;

上电步骤,根据集成电路的上电顺序,控制第i路多路电源限流单元的MOS管导通,以使第i路电源上电,并使count由0开始每个时钟周期加1,当count的值大于time[i]的值时,对第i+1路电源进行上电,直到全部N路电源上电;

上电判断步骤,根据集成电路启动成功的标志信号判断系统是否上电成功,如果上电失败,则执行复位步骤;如果上电成功,则进入监控状态,使能各路限流芯片,在各路限流芯片均进入工作状态后,关断各路的MOS管,并检测各路限流芯片的过流信号;

过流判断步骤,若过流信号有效,则表示电源电流异常,则执行复位步骤;若过流信号无效,则表示电源电流正常,继续保持监控状态。

<实施例>

本发明是适用于空间飞行器领域的,空间飞行器往往要面临空间辐射的问题,在空间辐射等复杂环境中,针对空间单粒子闩锁效应对集成电路可能造成的局部电流、功耗增加的危险,需要实时对各路电源的电流进行监控,当发生闩锁故障时,某一路电源的电流会增加,因此,需要对各路电源进行限流,设定合适的阈值,当电流超出该阈值时,进行限流,并能产生过流信号提示控制器产生了单粒子闩锁故障,进行断电重启。但发生闩锁故障时,电流的增加是一个相对缓慢的过程,因此对电源控制的实时性要求不高,为毫秒级。

在集成电路上电启动时,往往比正常工作时需要的电流要大,因此在设计限流电路的时候需要考虑系统上电启动时需要较大电流的问题。

针对集成电路存在的上述问题,本发明对集成电路多路供电电源进行了监控,其功能包括以下两点:

(1)上电启动时,进入不限电流的供电模式,并控制各路电源顺序上电,满足集成电路在上电启动过程中的较大电流的需求,成功上电启动;

(2)上电启动成功后,根据实际工作测试获得的电流值,确定限流阈值,进入限流供电模式,并对各路电源电流进行监测,保证在集成电路发生单粒子闩锁效应时,能够快速发现并关断电源,解除故障。

如图1所示,FPGA对多电源供电集成电路N路供电电源进行监控,根据工作状态(启动过程、正常工作过程)进行不同的控制。系统由两部分组成:多路电源限流电路和FPGA控制逻辑。下面具体说明本发明的各个部件:

一.多路电源限流电路:

如图3所示,第i路电源VCCi(可以是经过电源转换芯片转换输出)经过MOS管和限流芯片并联后,输出给集成电路,MOS管和限流芯片工作在不同的阶段。

集成电路上电启动过程中往往需要较大的电流,本文的设计中,MOS管的作用是在集成电路上电启动过程中导通,将限流芯片输入输出短接,电流通过MOS管不限流,为集成电路提供较大的供电电流。如图3所示,MOS管的栅极(图3中MOS_EN信号)由FPGA进行控制,从而能够比较精确的控制MOS管的通断。

如图3所示,限流芯片的作用是在集成电路启动正常后,对各路电源的供电电流进行限流控制,当电流超出设定的电流值时,会产生过流信号(Fault管脚输出),从而FPGA控制逻辑进行相应的判断和处理,保护系统不受闩锁故障影响。

需要说明的是,本文设计中使用的限流芯片需要有如下功能:

(1)可以调节限制电流:能根据电阻分压等原理调节限流电流值;

(2)电压输出使能控制信号:输出使能控制信号用于使能Vout输出;

(3)过流信号:当通过限流芯片的电流超过设定的电流值后,会产生过流信号。

在设计系统时,可以根据上述的限流芯片功能,结合实际情况,选择成熟的限流芯片,或者自行设计的限流电路。

结合MOS管和限流芯片,在上电启动过程中,导通MOS管,电流从MOS管中通过,不限流,保证集成电路正常启动;启动完成后,使能限流芯片,在限流芯片工作起来后,断开MOS管,电流仅从限流芯片中通过,进入电流限流监控模式,保证系统不受闩锁故障损坏。

二.FPGA控制逻辑

FPGA中主要包括两个模块,输入信号处理模块和多路电源监控模块。

输入信号处理模块主要是对限流芯片产生的过流信号进行处理,包括滤波和采沿等,避免因为外界电磁干扰产生的毛刺而导致控制逻辑误判,精确地才提升系统监控的准确性。

多路电源监控模块用于监控MOS管和限流芯片的工作状态。

1)输入信号处理模块

当集成电路发生闩锁故障时,限流芯片产生过流信号传输给FPGA管脚,但是电子系统工作工程中,不可避免地会受到内部或者外部的电磁干扰,使信号在传输途径上受到毛刺干扰,而一般情况下,FPGA的采样频率一般都高于输入信号变化频率,因此,很容易采集到毛刺信号,造成误判。本文设计的输入信号处理模块用于滤出输入信号上的此类毛刺,提升判断和控制的准确性。

在FPGA中,对输入信号滤除毛刺的方法有很多种,本文不做具体的说明。

2)多路电源监控模块:

多路电源监控模块主要是根据集成电路的不同工作状态对MOS管和限流芯片进行监控,其控制逻辑工作状态转换图4所示。

在图4中,整个系统工作的各个状态及功能如下所示:

复位:系统复位,关断MOS管和限流芯片;

等待:上电过程中,各路电源有一定的上电时序,在第i路电源上电完成后需要等待一定的时间time[i]后对第i+1路电源进行上电,因此,该状态为等待状态,根据上电的路数i,保持时间为time[i](time[i]为根据实际情况设置的等待时间数组time[N]中的一个元素,对应为第i路电源上电后的等待时间);

上电:控制第i路电源上电,控制对应的MOS管导通;

监控:使能所有N路的限流芯片输出,关断所有N路MOS管,监测N路限流芯片的过流信号;

根据图4中的系统工作状态转换图,整个系统的工作流程如下所示:

(1)系统复位,MOS管和限流芯片处于断开状态,变量i初始化为1,计时变量count初始化为0;

(2)根据集成电路上电顺序,控制第i路电源VCCi所对应的MOS管导通,使第i路电源上电,并在根据实际情况的等待,计时变量为count,计时长度为time[i],直至完成VCC1~VCCN的全部N路电源上电;

(3)根据集成电路启动成功的标志信号Power_ok,判断系统是否成功上电;

(4)如果上电失败,则进入复位状态,进行系统复位,系统重新上电;

(5)如果上电成功,则进入监控状态,使能N路限流芯片,在各路限流芯片完全工作起来后,关断N路MOS管,并监测N路限流芯片的过流信号(Fault),如果过流信号无效,即各路电源电流正常,则继续保持监控状态;

(6)如果过流信号有效,即电源电流异常,则进入复位状态,进行系统复位,对集成电路重新进行上电。

本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

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