книги / Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации

- 52 - Для повышения радиационной стойкости устройств РЭС на ин­

тегральных микросхемах пригодны все метода, используемые при создании устройств на дискретных элементах.

Однако вследствие того, что взаимодействие излучения с полупроводниковыми интегральными микросхемами приводит к воз­ никновении некоторых качественно иных эффектов, чем в простых

Одним из основных является эффект активизации паразитной четырехслойной структуры (триггерный эффект или "защелка"). Существует несколько методов снижения чувствительности микро­

используются только те микросхемы, о которых известно, что они свободны от "защелкивания", например, микросхемы с диэлектри­ ческой изоляцией, выполненные по технологии "кремний на диэлек­ трике" (КВД) или "кремний на сапфире" (ННС), или некоторые ти­ пы микросхем с изоляцией обратносмещенным р-п переходом.

В технологии с диэлектрической изоляцией каждый транзистор находится в своей собственной диэлектрической оболочке, изоли­ рованный от других. Эта технология устраняет четырехслойные структуры и таким образом эффект защелки.

К сожалению, на сегодняшний день имеется ограниченная но­ менклатура таких компонентов, так что их использование не всег­ да и не везде возможно.

2. Ограничение тока по цепи питания - для каждой микросхе­ мы ограничивается ток по цепи питания ниже тока удержания "за­ щелки". Для эффективной работы этого метода необходимо .знание характеристик "защелки" различных типов микросхем. Кроме того, он может применяться только для тех микросхем, у которых есть большое различие между током потребления в нормальном и "защел­ кнутом" состояниях, например, для КМОП микросхем с малым током потребления.

3. Выделение импульса ионизирующего излучения и временное отключение питания - реализуется с помощью'специальной схемы обнаружения импульса ионизирующего излучения и отключения источ-

ника питания. Отключение питания устраняет ’’защелку", но оно должно происходить до развития необратимого отказа (например, теплового пробоя или выгорания металлизации). Одной из основных трудностей, возникающих при практической реализации этого мето­ да, является весьма ограниченное количество данных, характери­ зующих требований по скорости отключения питания и его восстано­ вления. Разброс детекторов по чувствительности (от образца к образцу), а также разнесенность в пространстве детектора ионизи­ рующего излучения приводят к тому, что для обеспечения защиты РЭС от воздействия импульса гамма-излучения приходится увеличи­ вать чувствительность детектора. Это влечет за собой снижение допустимой мощности импульсного ИИ, при которой аппаратура ос­ тается в рабочем (включенном) состоянии . Кроме того, для реали­ зации этого метода требуется специальное устройство, которое может быть выполнено в виде функционально законченного модуля или микросборки и установлено в РЭС.

Таким образом, наиболее эффективным представляется й с по я ь ~ эование данного метода в устройствах РЭС, характеризующихся применением большого количества микросхем ограниченной номен­ клатуры, которые имеют тенденцию к "защелкиванию". К таким ус­ тройствам относятся, например, вычислительные и запоминавшие устройства.

4. Модификация интегральных микросхем - изменение техноло­ гии изготовления микросхем с целью предотвращения триггерного эффекта. Метод основан на уменьшении времени жизни неосновных носителей в паразитных переходах, что снижает ток паразитных транзисторов. Это достигается, например, путем лсгироваки-т зо­ лотом ТТЛ-схем или с помощью облучения нейтронами i&Oil-o.yr:.: Такой метод, по-видимому, применим при изготовлении мнкрг.о::с; не очень подходит разработчикам РЗС.

5.Анализ поведения микросхем при воздействии импульснег:

Ш- анализ поведения каждого типа микросхем используемых в разрабатываемом устройстве по методу, предложенному в /9 ] . Применение этого метода ограничивается необходимостью обладания достаточно полных сведений о топологии и технологических ‘’особен­ ностях изготовления конкретных типов микросхем, которые не все­ гда доступны. Кроме того, в случае использования в устройстве

большой номенклатуры микросхем, реализация данного метода требует больших затрат машинного времени и материальных средств.

входного контроля микросхем, поступающих на сборочное производ­

ство, что дает 100%-ную гарантию отсутствия аффекта "заделки" в устройствах РЭС при заданных условиях. Методы 2 и 3 рекомендует­ ся применять в зависимости от типов используемых в РЭС микросхем. Так, в случае применения в устройстве незначительного количес­ тва КМОП микросхем предпочтительнее использовать второй метод.

В случае значительного количества КМОП микросхем или биполярных микросхем, склонных к эффекту "защелки",' рекомендуется третий метод. Первый метод широко используется на стадии эскизного проекта.

Таким образом, обеспечение стойкости РЭС к воздействию 'ра­ диации является сложной многоплановой задачей, требующей исполь­ зования целевого комплекса определенных схемотехнических, конс­ труктивных и технологических методов, направленных на снижение, зависимости выходных параметров аппаратуры от параметров элемен­ тов и компонентов, чувствительных к радиации. Рациональное п ри - ' ыенение этих методов позволяет повысить стойкость аппаратуры в десятки и сотни раз, а также создавать устройства, стойкость ко­ торых в целом выше, чем стойкость используемых в них компонентов.

3.3. Методы защиты РЭС от электромагнитного импульса

Характер воздействия Э Ш на РЭС определяет и меры защиты: I) экранирование устройств, аппаратуры, блоков, кабелей

связи и электроснабжения; 2) недопущение в защищаемую аппарату­ ру токов и напряжений, индуцированных Э Ш в силовых и информа­ ционных линиях.

При проектировании мер защиты целесообразно пользоваться следующей последовательностью действий:

- определить вероятную ЭЩ-юбстановку в зоне эксплуа­

тации. аппаратуры. Из-за трудности прогнозирования параметров ядерного нападения обстановку часто определит возможными макси­ мальными характеристиками электрического и магнитного полей;

-определить допустимые (предельные) ЭДС и. токи, которые выдерживают элементы (блоки) и аппаратура в целом;

-определить необходимые коэффициенты защиты (отношение на­ веденных токов и напряжений к допустимым значениям);

-рассчитать необходимые экраны;

-выбрать (или создать) заграждающие (отводящие или отклю­ чающие) устройства (элементы) на входах (выходах) аппаратуры.

Создаваемая система защиты должна как правило обеспечить сохранение работоспособности РЭС, возвращение ее в работоспособное состояние за короткий срок после'ядерного взрыва (в случае воз­ никновения сбоя).

Защиту РЭС от электрЬмагнитного поля Э Ш осуществляют .элек­ тромагнитными экранами, выполненными из проводящих электрический ток оболочек. Процесс экранирования (ослабления) электромагнитно­ го поля осуществляется за счет отражения энергии на первой (обра­

щенной к источнику поля) поверхности экрана, поглощения энергии в толще экрана и переотражения от второй (обращенной к защищае­ мому пространству) поверхности экрана. Материалом для экранирую­ щих оболочек могут служить такие металлы, как железо, алюминий, медь, серебро, хром, цинк.и их сплавы.

Электрические параметры для тех металлов, которые наиболее часто применяют при создании экранирующих оболочек, приведено в табл. 3.1. Как видно из таблицы, значения удельного объемного сопротивления имеют один порядок (10”^) и отличаются для разных металлов в несколько раз. Наилучшими отражательными свойствами обладают оболочки, выполненный., из металлов с малым удельным объемным сопротивлением (большой проводимостью). Оболочки из. ме­ таллов с большим удельным объемным сопротивлением создают экрани­ рующий эффект в значительной степени за счет поглощения энергии электромагнитного поля, что может привести к перегреву экрана.

Коэффициент экранирования проникающего импульсного электри­ ческого поля проводящей оболочкой может быть определен выраже­

нием

6? А 6 £

ловина длины ребра экрана кубической формы или наименьшего реб­

импульса электрического поля.

Таблица 3.1

Электрофизические параметры некоторых экранирующих материалов

Конструктивно экранирующие оболочки выполняют в виде ме­ таллических листов, сеток, фольги, токопроводящих красок, ме­ таллизации поверхности пластмассовых кожухов, металлизированных тканей, электропроводящих клеев.

Экраны зсегда в какой-то мере влияют на устройство, кото­ рое они защищают. Это влияние проявляется В увеличении емкостей

элементов, уменьшении индуктивностей катушек, увеличении затуха­ ния, что приводит к расстройке контуров, увеличении потерь и времени задержки сигналов. Все это следует учитывать при компо­ новке устройств и окончательной регулировке и наладке их.

Экран может проявлять себя и как объемный резонатор, В нем возможны резонансные явления на нескольких частотах, что приво­ дит к возбуждению значительных токов и напряжений, которые в свою очередь могут влиять на защищаемое устройство.

В значительной' степени на эффективность экранирования вли­ яют (снижают ее) дефекты в экранах, то есть отклонения от идеа­ льной конструкции: несовершенство швов между листами металла, отверстия в экране, кабельные вводы, оконные и дверные проемы в экранированных помещениях. Ухудшают эффективность экранирова­ ния острые углы, ребра и грани в экранирующих конструкциях, резкие изменения толщины оболочки, проводимости, магнитной про­ ницаемости.

Защита РЭС от импульсов напряжения, возникающих от ЭКИ в линиях связи и электроснабжения, может осуществляться устройс­ твами, отключающими линии непосредственно у аппаратуры, а также устройствами, ограничивающими импульсы, снижающими их значения до величин, безопасных для РЭС (рис. 3.4).

Вкачестве отключающих устройств применяют плавкие вставки

иэлектромагнитные разъединители ‘(электромагнитные реле). Одна­ ко те и другие имеют значительное время срабатывания, а поэтому могут быть применены для защиты от ЭМИ лишь в комплексе г дру­ гими средствами.

Закорачивающими устройствами могут служить электромагнит­ ные реле, но применение их также маловероятно из-за большой инерционности.

Функции ограничителей импульсных напряжений могут выпол­ нять тазовые защитные разрядники (ионные приборы), полупровод­ никовые приборы - варисторы, ограничительные диоды,

Газовые разрядники имеют электрические характеристики, за­ висящие от конструкции электродов, расстояния между элекгродлии,

применяемого в разряднике газа и его даглеиия, количества я ка­ чества примесей, ионизации газового промежутка. Газовые разряд­ ники срабатывают при напряжении, значительно больпеу, нап­ ряжение горения, из-за чего в начале импульса наводки герсная-

ряжение не ограничивается (рис. 3.5).

Достоинством газовых разрядников является их способность работать при больших токах разряда (до килоампер) и малая межэлектродная емкость (единицы пикофарад), однако большое время срабатывания (от сотен наносекунд до десятков микросекунд) огра­ ничивает возможность применения этого вида ограничителей при за­ щите аппаратуры от ЭМИ. Следует иметь в виду, что высокочастот­ ные транзисторы могут выйти из строя за очень короткий отрезок времени - 10 ...1(Г®с. Недостатком их является также большое напряжение зажигания (срабатывания) - 100... 1000 В. Из-за инер­ ционности разрядников значительная часть энергии наводки от ЭМИ может достичь защищаемые РЭС и вызвать нежелательные явления. Поэтому одни разрядники не могут .защитить чувствительную .к пере­ напряжениям аппаратуру.

Обычно разрядники применяют в комплексе с фильтрами и ма­ ломощными безынерционными полупроводниками ограничителями (рис. 3.6). Для защиты же кабелей от пробоя изоляции газовые ра­ зрядники могут применяться самостоятельно, без дополнительных средств.

Различают два_вида разрядников: искровые воздушные и газо­ наполненные искровые. Искровые воздушные разрядники^как правило, имеют сравнительно небольшое время срабатывания, малое падение напряжения в режиме горения, могут пропускать значительные тоги * однако чувствительны к атмосферным условиям (давлению, влажнос­ ти и др.). Газонаполненные искровые разрядники срабатывают при меньшем напряжении, но из-за небольших размеров выдерживаю? меньшие мощности отводимого тока.

Газовые разрядники характеризуют статическим напряжениезажигания, что обычно и приводят в справочниках. Но при импулч-

напряжение называют динамическим напряжением зажигания). Динамическое напряжение закипания зависит от скорости на­

растания приложенного напряжения: чем круче передний фронт (ско­ рость нарастания) напряжения, тем больше напряженке зажигания

Рис. 3.5. Газовый разрядник: а) схема включения в несимме­ тричную линию; б) схема включения в симметрич­ ную линию; в) вольт-временкая характеристика напряжения на входе: I- без разрядника; 2 - с разрядником.

мическое напряжение зажигания должно быть в 1,5...2 раза мень­ ше напряжения, которое выдерживает защищаемая аппаратура.

Варисторы относятся к числу полупроводниковых приборов с биполярной проводимостью, выполненных на основе металлоокси­ дов. Наиболее распространенным материалом для вариаторов яв­

ляется окись цинка 5^* & с небольшим количеством добавок ( t o , Мп>Л% СхлОъ к др.). Изготовляют варисторы по типично керамической технологии, однако требования к исходным компо­ нентам, чистоте, точности химического состава, термическим ре­ жимам должны соответствовать полупроводниковой технологии. В настоящее время производство варисторов сравнительно дешево.

Qo своим электрическим свойствам этот тип полупроводнике»-