专利名称：一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于空间应用的航天器上信号检测单元中的板级单粒子闩锁故 障自动检测与解除电路。
背景技术：
航天实践表明单粒子效应是航天器工作异常和故障的重要诱因之一，严重影响 着对国防和经济建设具有重要意义的各类航天器的安全。单粒子闩锁(single event latch-up, SEL)是单粒子效应的一种，航天器中电子线路部分最可能发生单粒子闩 锁效应的是CMOS器件。当航天器飞越大西洋负磁区(西经4CT )上空时可能会受 到重粒子的轰击，另外太阳质子事件和银河宇宙线均含有大量的高能带电粒子。当单 个高能带电粒子击中CMOS器件时，入射产生的瞬态电流触发可控硅结构使其导通， 由于可控硅的正反馈特性使电流不断增大，进入大电流再生状态，即导致闩锁，对于 有些CMOS器件闩锁电流可以高达安培量级。 一旦CMOS电路处于闩锁状态，电源
两端就处于近乎短路的状态，发生闩锁部分流过的大电流导致器件局部温度升高，温 度过高会导致器件永久性损坏，这样不但使CMOS电路无法正常工作，同时还会破 坏同一个电路板上其它电路的工作状态。 一旦发生单粒子闩锁效应有可能威胁到航天 器的安全，因此必须针对航天器内的CMOS电路闩锁故障采取应对措施。
为了满足系统功能要求，电路板上电子元器件的供电电压往往并不是单一的，而 是两种或者多种供电电压。当某个器件发生闩锁故障时，可以通过检测电路驱动模拟 开关截断该器件使用的供电通路，以防止其内部结构受到局部高温的损坏。但有一些 器件的供电并不单一，并且有些器件对电源的接通和关断次序还有特殊要求，只关断 部分供电时可能会对器件造成损伤，因此比较稳妥的方法是当某个器件发生闩锁时， 把电路板上的所有电源通路同时切断；当闩锁解除后，同时接通所有的供电电源。这 样既防止了闩锁可能带来的器件局部高温损伤，也防止了供电次序违反器件要求带来 的损伤。基于这种需求，本发明提供了一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路, 该电路适用于混合供电的电路板级闩锁故障自动检测与解除，特别是同时包含正电源 和负电源的电路板。
发明 内容
本发明是一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路，采用的技术方案是电 路板采用+ 5V， +3.3￥和-5￥电源供电，各供电电压和参考电压分别通过采样电阻
接入电压比较器、与门，由与门的输出端驱动三个模拟开关的通断，从而接通和切断 负载的供电，起到单粒子闩锁检测和解除的目的。
本发明公开了一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路，是由电压比较器、 三个模拟开关、与门和三个二极管以及电阻电容组成的模拟电路。电压比较器对接收 的三路取样电压分别与三路参考电压作比，获得各路是否产生闩锁效应的判断依据， 并将三个判断依据送入与门；与门对接收的闩锁故障判断信号进行与处理，输出逻辑 信号用于驱动各模拟开关的接通或断开，从而使负载得到保护。该电路是由正电源和 负电源混合供电的多电源电路，不管是正电源供电的器件发生闩锁效应还是负电源供 电的器件发生闩锁效应，电压比较器都能正确地识别出闩锁故障并控制l莫拟开关切断 全部电源的供电通路。只有当全部闩锁故障解除后，供电通路才能同时接通。
本发明板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路的主要特点是(1)电路设计简 单，采用模拟电路搭建，涉及的主要器件只有电压比较器LM139AJRQMLV、与门 CD54HC11F3A、模拟开关ADG801、 MAX4690、 二极管1N3600和若干电阻电 容；(2)易于扩展以适应不同电源数目的需求，特别是正电源和负电源混合供电的电 路板。与门CD54HC11F3A包含三组完全相同的三输入与门，，用一个芯片可扩展 为处理7路电源供电的情况；(3)由于没有经过任何处理器或延迟电路，只要各电源 供电恢复正常，该电路就能立刻恢复电源对板内供电；(4)将闩锁故障检测与解除功 能集于一身，减轻了电路的复杂程度，避免了对处理器有限资源的占用，适应了空间 应用的需求。
图1是本发明板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路的结构框图。 图2是本发明板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路的电路原理图。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
请参见图1所示，本发明是一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路，该电 路应用与门芯片D4、电压比较器、以及三个二极管(二极管V1、 二极管V2、 二极 管V3),三个二极管起到了使电压比较器的输出端峰值电位不低于二极管的正向导通 电压，起到了限幅保护电压比较器的作用。通过电压比较器判断接入电源的负载是否 出现闩锁现象，并产生判断信号送往与门，与门依据接收的闩锁故障判断信号，驱动 所有与其输出相连的模拟开关做出相应切换动作；模拟开关根据与其相连的与门输出 信号，接通或切断相应电源对受保护电路板内部的供电。通过改变与门输入数目和与 门逻辑组合形式，可以完成不同电源数目的闩锁故障的检测与解除。
十5v电源经第一取样电阻、第一取样电压后输出第一电压y;给电压比较器，同时
第一取样电压通过第一l莫拟开关为A负载供电；+5V电源经第一分压电阻、第一参 考电压后输出第一参考电压/2给电压比较器；
+ 3.3￥电源经第二取样电阻、第二取样电压后输出第二电压/3给电压比较器，同 时第二取样电压通过第二f莫拟开关为B负载供电；+3.3V电源经第二分压电阻、第 二参考电压后输出第二参考电压/4给电压比较器；
一5V电源经第三取样电阻、第三取样电压后输出第三电压/5给电压比较器，同时 第三取样电压通过第三^莫拟开关为C负载供电；一5V电源经第三分压电阻、第三参 考电压后输出第三参考电压/6给电压比较器；
电压比较器对接收的三路取样电压分别与三路参考电压作比，获得各路是否产生 闩锁效应的判断依据，并将三个判断依据送入与门；
与门对接收的闩锁故障判断信号进行与处理，输出逻辑信号用于驱动各模拟开关 的接通或断开，从而使负载得到保护。
经电压比较器作比后的判断依据，以及与门中对逻辑与的处理过程详细说明如下 (一)电压比较器对第一电压y;与第一参考电压/2作比，获得+5V电源供电方式下 是否产生闩锁效应的判断依据，并将此判断依据送入与门；(二)电压比较器对第二电 压/3与第二参考电压/4作比，获得+3.3V电源供电方式下是否产生闩锁效应的判断
依据，并将此判断依据送入与门；(三)电压比较器对第三电压/5与第三参考电压/6作 比，获得一5V电源供电方式下是否产生闩锁效应的判断依据，并将此判断依据送入 与门。与门对接收的上述三路判断依据作逻辑与处理输出用于控制第一模拟开关的数
字控制量/;+2给第一模拟开关、用于控制第二模拟开关的数字控制量/3+4给第二模拟开
关、用于控制第三^莫拟开关的数字控制量/5+6给第三模拟开关；第一模拟开关依据数 字控制量X+2控制第一取样电压给A负载的供电;第二模拟开关依据数字控制量/3+4控 制第二取样电压给B负载的供电；第三模拟开关依据数字控制量/5+6控制第三取样电 压给C负载的供电。
请参见图2所示，在本发明中，电压比较器选取LM139AJRQMLV芯片，与门 选取CD54HC11F3A芯片，第一模拟开关选取ADG801芯片，第二模拟开关选取 ADG801芯片，第三模拟开关选取MAX4690芯片。
板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路各端子连接为
电压比较器N1的各端子联接情况如下正电源端3与+ 5V电源联接，且与模拟 地之间联接有电容C1;负电源端12与一5V电源联接，且与模拟地之间联接有电容 C2;正相输入端5与第一模拟开关D1的端1之间联接有电阻R4;反相输入端4与 + 5V电源之间联接有电阻Rl,且与模拟地之间联接有电阻R2;输出端2与+ 5V电 源之间联接有电阻R5，且与与门D4的端1短接；正相输入端7与第二模拟开关D2 的端1之间联接有电阻R9;反相输入端6与+ 5V电源之间联接有电阻R6，且与模 拟地之间联接电阻R7;输出端1与+ 5V电源之间联接有电阻RIO，且与与门D4的 端2短接；正相输入端9与模拟地之间联接有电阻R15，且与一5V电源之间联接有 电阻R12;反相输入端8与第三模拟开关D3的端9之间联接有电阻R13;输出端 14与+ 5V电源之间联接有电阻R14,且与与门D4的端13短接；
第一模拟开关Dl各端子联接情况如下端1与+ 5V电源之间联接有电阻R3， 端2为A负载提供+ 5V电源，端3接模拟地，端4与与门D4的端12联接，端6 与+ 5V电源联接，且与模拟地之间联接有电容C3;
第二模拟开关D2各端子联接情况如下端1与+ 3.3V电源之间联接电阻R8, 端2为B负载提供+3.3V电源，端3接模拟地，端4与与门D4的端12联接，端6 与+ 5V电源联接，且与模拟地之间联接有电容C4;
第三模拟开关D3各端子联接情况如下端2与端7短接后与与门D4的端12 联接，端4外接-5V电源，且与模拟地之间联接有电容C5,端5接模拟地，端9 与端16短接，且端16与—5V电源之间联接有电阻R11,端11与端14短接，端
14为C负载提供一5V电源，端12与端13短接，端13接+ 5V电源，且与模拟地
之间联接有电容C6;
二级管VI的正端接模拟地，负端接电压比较器Nl的2端； 二级管V2的正端接模拟地，负端接电压比较器N1的1端； 二级管V3的正端接模拟地，负端接电压比较器N1的14端； 与门D4的端14外接+ 5V电源，端3、端4、端5、端7、端9、端10、端11
接模拟地。
三个供电电源部分的闩锁检测与解除机制分析如下
正常工作条件下，电压比较器N1的5端比4端电压略高，7端比6端电压略髙， 9端比8端电压略高，通过与门D4逻辑与作用后，与门D4的12端分别输出高电 平同时驱动第一模拟开关Dl、第二模拟开关D2的4端和第三模拟开关D3的2端、 7端，使第一模拟开关D1的1、 2端闭合、第二模拟开关D2的1、 2端闭合，第三 模拟开关D3的16端与14端闭合，9端与11端闭合，从而使从外部接入的+ 5V、 十3.3V和-5V电源得以顺利向负载(A负载、B负载、C负载)供电。若某一个负 载发生闩锁，导致其中一路采样电阻的电流变大，以+ 5V供电电源部分为例，闩锁 效应导致采样电阻R3的电流增大从而使得第一模拟开关Dl的1端电位降低。由于 电阻R4几乎没有电流通过，则电压比较器Nl的5端与第一模拟开关Dl的1端电 位相同，如果通过电阻R3的电流增大到一定程度导致电压比较器Nl的5端电位低 于4端电位，则电压比较器N1的2端输出为低电平。此时，无论与门D4的2端、 13端状态如何，与门D4的12端都将输出低电平，驱动与与门D4的12端相连的 第一模拟开关D1、第二模拟开关D2、第三模拟开关D3断开对应开关，使得发生闩 锁的负载脱离闩锁状态，从而起到保护负载电路的作用。当第一模拟开关D1的1端 和2端断开后，通过电阻R3的电流降为零，从而使电压比较器Nl的5端电位升高; 当第二模拟开关D2的1端和2端断开后，通过电阻R8的电流降为零，从而使电压 比较器N1的7端电位升高；当第三模拟开关D3的14端和16端、9端和11端都 断开后，通过电阻Rll的电流降为零，从而使电压比较器N1的9端电位升高；当电 压比较器的1端、2端、14端都输出高电平后，第一模拟开关Dl、第二模拟开关 D2、第三模拟开关D3再次闭合相应开关向负载供电。
在本发明中，+ 3.3V供电部分的工作机制与+ 5V供电部分相同。 在本发明中，—5V供电部分的工作机制分析正常工作情况下，电压比较器N1 的9端电位高于8端，电压比较器Nl的14端输出高电平。当一5V的负载发生闩锁 效应导致采样电阻Rll的电流增大，使得电压比较器N1的8端电位升高，当其高于 9端电位时，电压比较器N1的14端输出低电平，经过与门D4的逻辑与作用后，与 门D4的12端输出低电平控制第一模拟开关D1、第二模拟开关D2、第三模拟开关 D3的开关断开，使得发生闩锁的负载脱离闩锁。其恢复负载供电过程请参见+ 5V供 电部分的工作机制所述。
权利要求
1、一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路，其特征在于+5V电源经第一取样电阻、第一取样电压后输出第一电压f1给电压比较器，同时第一取样电压通过第一模拟开关为A负载供电；+5V电源经第一分压电阻、第一参考电压后输出第一参考电压f2给电压比较器；+3.3V电源经第二取样电阻、第二取样电压后输出第二电压f3给电压比较器，同时第二取样电压通过第二模拟开关为B负载供电；+3.3V电源经第二分压电阻、第二参考电压后输出第二参考电压f4给电压比较器；-5V电源经第三取样电阻、第三取样电压后输出第三电压f5给电压比较器，同时第三取样电压通过第三模拟开关为C负载供电；-5V电源经第三分压电阻、第三参考电压后输出第三参考电压f6给电压比较器；电压比较器对接收的三路取样电压分别与三路参考电压作比，获得各路是否产生闩锁效应的判断依据，并将此判断依据送入与门；与门对接收的闩锁故障判断信号进行与处理，输出逻辑信号用于驱动第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关的接通或断开，从而使负载得到保护。
2、 根据权利要求1所述的板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路，其特征在 于电压比较器选取LM139AJRQMLV芯片，与门选取CD54HC11F3A芯片，第 一模拟开关选取ADG801芯片，第二模拟开关选取ADG801芯片，第三模拟开关 选取MAX4690芯片。
3、 根据权利要求l所述的板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路，其特征在 于各电路的硬件联接为电压比较器N1的正电源端3与+ 5V电源联接，且与模拟地之间联接有电容C1; 负电源端12与一5V电源联接，且与模拟地之间联接有电容C2;正相输入端5与第 一模拟开关Dl的端1之间联接有电阻R4;反相输入端4与+ 5V电源之间联接有 电阻Rl，且与模拟地之间联接有电阻R2;输出端2与+ 5V电源之间联接有电阻 R5，且与与门D4的端1短接；正相输入端7与第二模拟开关D2的端1之间联接 有电阻R9;反相输入端6与+ 5V电源之间联接有电阻R6,且与模拟地之间联接电 阻R7;输出端1与+ 5V电源之间联接有电阻R10，且与与门D4的端2短接；正 相输入端9与模拟地之间联接有电阻R15,且与-5V电源之间联接有电阻R12;反 相输入端8与第三模拟开关D3的端9之间联接有电阻R13;输出端14与+ 5V电 源之间联接有电阻R14，且与与门D4的端13短接；第一模拟开关D1各端子联接情况如下端1与+ 5V电源之间联接有电阻R3，端2为A负载提供+ 5V电源，端3接;f莫拟地，端4与与门D4的端12联接，端6与+ 5V电源联接，且与模拟地之间联接有电容C3;第二模拟开关D2各端子联接情况如下端1与+ 3.3V电源之间联接电阻R8，端2为B负载提供+ 3.3V电源，端3接模拟地，端4与与门D4的端12联接，端6与+ 5V电源联接，且与模拟地之间联接有电容C4;第三^莫拟开关D3各端子联接情况如下端2与端7短接后与与门D4的端12联接，端4外接一5V电源，且与模拟地之间联接有电容C5，端5接模拟地，端9与端16短接，且端16与一5V电源之间联接有电阻R11，端11与端14短接，端14为C负载提供一5V电源，端12与端13短接，端13接+ 5V电源，且与模拟地之间联接有电容C6;二级管V1的正端接模拟地，负端接电压比较器N1的2端； 二级管V2的正端接模拟地，负端接电压比较器N1的1端； 二级管V3的正端接模拟地，负端接电压比较器N1的14端； 与门D4的端14外接+ 5V电源，端3、端4、端5、端7、端9、端10、端ll接模拟地。
全文摘要
本发明公开了一种板级单粒子闩锁故障自动检测与解除电路，是由电压比较器、三个模拟开关、与门和三个二极管以及电阻电容组成的模拟电路。电压比较器对接收的三路取样电压分别与三路参考电压作比，获得各路是否产生闩锁效应的判断依据，并将三个判断依据送入与门；与门对接收的闩锁故障判断信号进行与处理，输出逻辑信号用于驱动各模拟开关的接通或断开，从而使负载得到保护。该电路是由正电源和负电源混合供电的多电源电路，不管是正电源供电的器件发生闩锁效应还是负电源供电的器件发生闩锁效应，电压比较器都能正确地识别出闩锁故障并控制模拟开关切断全部电源的供电通路。只有当全部闩锁故障解除后，供电通路才能同时接通。
文档编号H03K5/22GK101102101SQ20071011854
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者张忠钢, 李安琪, 锐 袁 申请人:北京航空航天大学