AN-2036: Резервное питание и резервное измерение

В современных электронных устройствах операционный усилитель является неотъемлемым компонентом. Особенно при проектировании схем на отечественных операционных усилителях выбор подходящих компонентов и оптимизация структуры схемы становятся ключевыми задачами для многих инженеров. Сегодня мы подробно рассмотрим основные принципы и методы проектирования схем с отечественными операционными усилителями, чтобы помочь вам повысить уровень проектирования таких схем. 1. Понимание базовых характеристик операционного усилителя Прежде всего, при разработке схем на отечественных операционных усилителях крайне важно хорошо знать их характеристики. Основными параметрами операционного усилителя являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление. Коэффициент усиления определяет способность усиливать сигнал, входное сопротивление влияет на взаимодействие с источником сигнала, а выходное сопротивление — на качество передачи сигнала. Только после глубокого понимания этих базовых характеристик можно эффективно приступать к проектированию схем. 2. Выбор подходящего отечественного операционного усилителя На рынке сегодня представлено множество отечественных операционных усилителей, однако далеко не каждый из них подходит для вашего проекта. При выборе необходимо учитывать несколько ключевых факторов: полосу пропускания, энергопотребление, диапазон рабочих температур и стоимость. Например, если ваш проект предполагает обработку высокочастотных сигналов, то первостепенным критерием станет полоса пропускания. Напротив, для проектов с требованиями к низкому энергопотреблению следует отдавать предпочтение усилителям с минимальным потреблением энергии.

AN-2036: Резервное питание и резервное измерение

Эффективное использование резервных средств измерения и управления является важным путём повышения надёжности системы. Однако необоснованное применение концепции резервирования не только не способствует повышению надёжности, но и создаёт непредсказуемые риски для нормальной работы системы.

Проще говоря, избыточность — это резервирование: при выходе одного из систем из строя другая система берёт на себя выполнение задач, обеспечивая нормальную работу системы. Эти две системы связаны логической связью «ИЛИ». Как показано на схеме ниже:

Резервирование подразделяется на «холодное» и «горячее». «Холодное» резервирование предполагает, что после выявления отказа одного из систем оператор вручную переключается на другую систему. «Горячее» резервирование — это когда обе системы А и Б работают в штатном режиме; при возникновении отказа одной из них вторая система мгновенно, в пределах наносекунд, принимает на себя функции отключившейся, при этом работающая система не должна оказывать никакого влияния на работу резервной. Технология «горячего» резервирования широко применяется в блоках управления питанием.

В избыточных системах нередко необходимо включать этап «голосования», чтобы обеспечить функцию «отказоустойчивости». Под «голосованием» понимается принцип: меньшинство подчиняется большинству. Если речь идёт о логических командах, такое голосование можно реализовать с помощью комбинационной логики. Если же речь идёт о аналоговых измерительно‑управляющих контурах, то для выполнения голосования потребуется соответствующая компьютерная программа. В любом случае приходится отбрасывать значение, которое оказывается наиболее недостоверным.

Избыточные системы также могут выходить из строя. Среди возможных режимов отказов преобладают катастрофические отказы, одноточечные отказы и вторичные отказы.

Так называемая катастрофическая неисправность — это отказ, который невозможно предотвратить при любом уровне резервирования. Например: полное отключение питания системы, механический отказ исполнительного механизма, разрушение корпуса с последующим выходом из строя большинства электрических соединений и т. п.

Так называемые одноточечные отказы и вторичные отказы возникают вследствие недостаточного понимания конструкторами концепции избыточности, неправильного выбора компонентов либо ошибок при реализации проекта; в результате повреждённый узел причиняет дополнительный ущерб исправным узлам, что приводит к выходу системы из строя. Например: обрыв общего питающего провода; перегоревший предохранитель замыкается на сигнальном проводе; расплавленные оловянные шарики вызывают короткое замыкание между несвязанными точками на элементах или разъёмах; повреждённый узел препятствует подаче питания или передаче данных к работающим узлам; резервная система задерживается с запуском и т. д.

Далее на основе рассмотренных нами случаев мы подтвердим изложенные выше положения.

Пример 1: Неправильный выбор компонентов привёл к вторичной неисправности.

Для одной из моделей требуется реализовать тепловое резервирование основного и резервного источников питания напряжением 28 В. Требования: минимальные потери, низкие пороговые значения переключения и короткое время переключения. По результатам анализа для выполнения этих задач необходимо использовать два быстродействующих диода Шоттки, схема которых приведена на рисунке ниже:

При этом выходное напряжение основного источника питания превышает выходное напряжение резервного источника 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 итоге была принята SM1U21PST.

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

Преимущество такой конструкции заключается в небольших габаритах корпуса, который можно непосредственно крепить к радиатору. Однако её недостатком является то, что при выходе из строя одной из цепей вследствие нештатного электрического перенапряжения образующиеся подвижные металлические частицы (см. рисунок ниже) легко могут замкнуть анод и катод байпасного диода, что приводит к возникновению вторичных неисправностей.

Это типичный пример, когда правильная концепция проектирования приводит к вторичным сбоям из‑за неправильного выбора компонентов. Решение заключается в том, чтобы, при допустимых габаритах, использовать два шоттки‑диода в отдельных корпусах с близкими значениями времени обратного восстановления.

Пример второй: вторичные неисправности, вызванные неправильным ограничением тока питания

Для одной модели требуется организовать «тепловое резервирование» питания трёх датчиков, при этом необходимо ограничить максимальный ток, потребляемый каждым блоком датчиков от источника питания; для этого применена структура, изображённая на схеме ниже:

Выбор компонентов: D1 = D2: 1N5819

　　　　　D3:1N5245

　　　　　R1=R2=R5: 100 Ом

　　　　　R3, R4: неизвестно; C1: 0,1 мкФ

Эта конструкция формально обеспечивает «горячее резервирование» основного и резервного источников питания, одновременно ограничивая мощность, потребляемую каждым датчиком‑сборкой от источника питания +15 В, а также позволяет посредством последующей программной обработки осуществлять голосование и вычисление на основе выходных сигналов трёх датчиков. В штатных условиях она эффективно выполняет свои функции.

Однако избыточность в системе как раз и предназначена для работы с ненормальными распределениями.

Проблема указанной конструкции заключается в том, что при возникновении замыкания питания на «массу» в одном из трёх датчиковых узлов происходит снижение напряжения питания в двух остальных цепях, что приводит к ненормальной работе их выходов. Причина этого показана на схеме ниже (на примере замыкания питания датчика P3 на «массу»):

Выбор компонентов: D1: 1N5819

　　　　　R1=R5: 100 Ом

После замыкания питания датчика P3 на массу, вследствие деления напряжения между двумя последовательно включёнными токоограничительными резисторами R1 и R5, напряжение, подаваемое на датчики Po и CL, как минимум снизилось вдвое, поэтому неудивительно, что их выходные сигналы работают некорректно.

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 габаритным размерам в качестве одного из уровней был выбран блок SG2803J.

SG2803J — это восьмиканальный драйвер на транзисторах Дарлингтона, см. рисунок ниже.

Его преимущество заключается в том, что он легко комбинируется с последующими транзисторами для реализации логических функций «линия‑И» или «линия‑ИЛИ», что позволяет обеспечить двойное резервирование команд в компактном объёме.

Однако изоляция между этими восьмью транзисторами Дарлингтона осуществляется за счёт обратно смещённых диодов, что не соответствует принципу изоляции на основе диэлектрического материала, заложенному в концепцию резервирования.