АН-2036: Резервное питание и резервное измерение

АН-2036: Резервное питание и резервное измерение

Эффективное использование резервных технологий измерения и управления является важным способом повышения надёжности системы. Однако неправильное применение концепции резервирования не только не способствует повышению надёжности системы, но и вносит в её нормальную работу неконтролируемые риски.

Проще говоря, резервирование — это создание резервной копии: в случае сбоя одной системы другая система берёт на себя её функции, обеспечивая нормальную работу системы. Эти две системы связаны по логике «ИЛИ». Как показано на следующем рисунке:

Резервирование подразделяется на «холодное резервирование» и «горячее резервирование». При «холодном резервировании» после выявления отказа одного из систем производится ручной переключение на другую систему. В случае «горячего резервирования» обе системы — A и B — функционируют в штатном режиме; если одна из них выходит из строя, вторая система мгновенно, в пределах наносекунд, автоматически включается в работу, при этом неисправная система не должна оказывать никакого влияния на работу резервной системы. Технология «горячего резервирования» широко применяется в блоках управления питанием.

В резервном проектировании нередко необходимо включать этап «голосования» для реализации функции «отказоустойчивости». Под «голосованием» понимается принцип: меньшинство подчиняется большинству. Если речь идёт о логических командах, то такое голосование можно осуществить с помощью комбинационной логики; если же речь идёт о аналоговых измерительно-управляющих контурах — то здесь требуется программное обеспечение компьютера. В любом случае цель остаётся неизменной: отбрасывать тот сигнал, который наиболее ненадёжен.

Избыточные системы также могут выходить из строя. Среди возможных режимов отказа основными являются катастрофические отказы, одноточечные отказы и вторичные отказы.

Так называемая катастрофическая неисправность — это неисправность, которую невозможно предотвратить независимо от того, насколько продуманно организовано резервирование. Например: полное отключение питания всей системы, механическая неисправность исполнительных механизмов, разрушение корпуса с последующим выходом из строя большинства электрических соединений и т. п.

Под «точкой отказа» и «побочными отказами» понимаются ситуации, когда проектировщик недостаточно хорошо осознаёт концепцию избыточности, либо неправильно подбирает компоненты, либо возникают проблемы при реализации проекта, в результате чего повреждённый узел наносит вторичный ущерб исправным узлам, что приводит к невозможности нормальной работы системы. Например, обрыв общего питающего провода; перегоревший питающий провод замыкается на сигнальный провод; расплавленные оловянные шарики вызывают короткое замыкание в несвязанных точках устройств или соединителей; повреждённый узел препятствует питанию и связи с исправными узлами; резервный узел задерживается с запуском и т. п.

Далее на примере наших собственных случаев мы подтвердим некоторые из вышеперечисленных положений.

Пример 1: Неправильный выбор компонентов приводит к вторичным неисправностям.

Для определённой модели требуется реализовать тепловое резервирование основного и резервного источников питания напряжением 28 В. При этом необходимо обеспечить минимальные потери, а также минимальные пороговые значения и время переключения. По результатам анализа было решено использовать два быстродействующих диода Шоттки, как показано на схеме:

При этом выходное напряжение основного источника питания превышает выходное напряжение резервного источника питания на 0,8 В; минимальное требуемое значение выходного тока составляет 8 А; порог переключения — не более 0,8 В; время переключения — не более 50 нс.

После анализа и выбора модели в конечном счёте была выбрана SM1U21PST.

SMIU21PST — это двойной быстродействующий диод Шоттки с общим катодом в корпусе T0-257A, B _В ≥200 В, I _ОМ ≥18A, t _р ≤35 нс; микроскопическое изображение его внутренней структуры представлено на рисунке:

Преимуществом такой конструкции является небольшой размер корпуса, который можно непосредственно закрепить на радиаторе. Однако её недостатком является то, что при выходе из строя одной из цепей вследствие аномального электрического импульса образующиеся подвижные металлические остатки (см. рисунок ниже) легко замыкают анод и катод шунтирующего диода, что приводит к возникновению вторичных неисправностей.

Это типичный пример, когда правильная концепция дизайна в сочетании с неправильным выбором компонентов приводит к возникновению вторичных неисправностей. Решение заключается в том, чтобы, при условии достаточного объёма, выбрать два диода Шоттки в отдельных корпусах с близкими значениями времени обратной рекомбинации.

Пример № 2: Побочные неисправности, вызванные неправильным ограничением тока источника питания

Для данной модели требуется организовать «тепловое резервирование» питания трёх датчиков при одновременном ограничении максимального тока, потребляемого каждым датчиком от источника питания; для реализации этого решения использована структура, изображённая на схеме ниже:

Выбор компонентов: D1=D2 — 1N5819

　　　　　　　　　   D3: 1N5245

　　　　　　　　　   R1=R2=R5: 100 Ом

　　　　　　　　　   R3, R4: неизвестно; C1: 0,1 мкФ

Такая конструкция не только обеспечивает «горячее резервирование» основного и резервного источников питания, но и ограничивает мощность, потребляемую каждым датчиковым узлом от источника питания +15 В; кроме того, с помощью последующей программной обработки можно реализовать голосование по выходным сигналам трёх датчиков. В штатных условиях она эффективно выполняет свои функции.

Однако редундантный дизайн системы как раз и предназначен для работы с ненормальными распределениями.

Проблема указанной конструкции заключается в том, что при возникновении замыкания питания на «землю» в одном из трёх датчиковых узлов происходит снижение уровня питания в двух других узлах, что приводит к некорректной работе их выходов. Причина этого проиллюстрирована на следующем рисунке (на примере замыкания питания датчика P3 на «землю»):

Выбор компонента: D1: 1N5819

　　　　　　　　　 R1=R5: 100 Ом

После замыкания питания датчика P3 на «землю» из‑за деления напряжения между двумя последовательно включенными токоограничивающими резисторами R1 и R5 напряжение, подаваемое на датчики Po и CL, как минимум сокращается вдвое, поэтому вполне объяснимо, что их выходной сигнал становится неправильным.

Чтобы избежать возникновения такой ситуации, достаточно, как показано на рисунке, заменить двухступенчатое ограничение тока на одноступенчатое.

Выбор компонентов: D1=D2 — 1N5819

　　　　　　　　　   D3=D4=D5: 1N5245

　　　　　　　　　   R1=R2=R5: 100 Ом

　　　　　　　　　   C1=C2=C3: 0,1 мкФ

Пример третий: псевдоредундантность

Для одной из моделей требуется реализовать двойное резервирование команд. С учётом ограничений по габаритам было выбрано устройство SG2803J в качестве одного из уровней резервирования.

SG2803J — это восьмиканальный транзистор Дарлингтона, см. рисунок ниже.

Его преимущество заключается в том, что он легко может быть совмещён с последующими транзисторами для реализации логики «линия–и» или «линия–или», что, в свою очередь, позволяет обеспечить двойное резервирование команд в компактном объёме.

Однако изоляция между этими восьмью транзисторами Дарлингтона осуществляется за счёт обратного смещения диодов, что не соответствует концепции изоляции посредством диэлектрического материала, предусмотренной в резервных конструкциях.