Моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным модальным резервированием после отказов вдоль проводников Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

УДК 621.391.825

Моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным модальным резервированием после отказов вдоль проводников

Медведев А. В.

Постановка задачи: для создания конкурентоспособной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) необходимо уделять пристальное внимание обеспечению качества и повышению надежности. Данный процесс должен затрагивать все стадии производства аппаратуры, начиная с разработки печатных плат и кабелей. Модальное резервирование (МР) - один из методов повышения электромагнитной совместимости и функциональной безопасности (следовательно, повышения надежности). Теоретические исследования структур с МР показали, что случаи отказов на концах проводников резервируемой цепи удобно моделировать изменением граничных условий: коротким замыканием (КЗ) либо обрывом/холостым ходом (ХХ). Между тем по различным причинам могут возникать отказы и вдоль проводников. Их имитационные модели сложнее, чем для отказов на концах проводников. Однако, для более точного определения порядка переключения необходим анализ различных структур с трехкратным МР, учитывая отказы на концах и вдоль проводников. Цель работы: выполнить моделирование, оценку и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным МР, учитывая отказы вдоль проводников. Используемые методы: для моделирования, оценки и выбора порядка переключения используется система квазистатического анализа с применением алгоритма анализа структур с трехкратным МР до и после отказов. Новизна: впервые анализируются структуры с трехкратным МР с исходным и оптимальным наборами параметров после отказов вдоль проводников. Результат: Для каждой из структур определен оптимальный порядок переключения после отказов вдоль проводников. Практическая значимость: определяется возможностью учета специфики таких отказов для задания оптимального порядка переключения.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, функциональная безопасность, резервирование, модальное резервирование, печатная плата, отказ.

Актуальность

Давно известно о проблемах функциональной безопасности (ФБ) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в сложной электромагнитной обстановке [1]. Кондуктивные или излучаемые электромагнитные помехи имеют систематический характер, то есть могут периодически повторяться [2]. Например, в системах с резервированием при отказе резервируемой печатной платы (ПП) при воздействии электромагнитных помех (ЭМП), произойдет отказ резервной ПП, если воздействие ЭМП повторится [3]. В [4] рассматриваются три возможных механизма возникновения отказов электронных устройств в результате воздействия ЭМП. Сверхширокополосные (СШП) помехи являются опасным видом кондук-тивных помех. Эффективным инструментом в борьбе с СШП помехами является

Библиографическая ссылка на статью:

Медведев А. В. Моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным модальным резервированием после отказов вдоль проводников // Системы управления, связи и безопасности. 2023. № 2. С. 175-203. DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203 Reference for citation:

Medvedev A. V. Simulating, evaluating, and selecting the optimum switching order for circuits with triple modal reservation after failures along the conductors. Systems of Control, Communication and Security, 2023, no. 2, pp. 175-203 (in Russian). DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

технология на основе эффекта модальной фильтрации (МФ) [5] и устройств на ее основе.

Модальное резервирование (МР) - это подход к компоновке и трассировке резервируемых и резервных проводников ПП и кабелей в РЭА, при котором добиваются эффекта МФ [6]. Эффект МФ достигается за счет сильной связи между резервируемым и резервными проводниками РЭА в неоднородной диэлектрической среде. Разработаны и активно исследуются однократное, двукратное и трехкратное МР [7]. В структурах с трехкратным МР на дальнем конце резервируемого проводника будет наблюдаться разложение на 4 импульса меньшей амплитуды, если произведение минимальной разности задержек мод (Ахмин) и длины I структуры больше длительности СШП импульса на входе.

Предложены способы компоновки и трассировки проводников с трехкратным МР цепей, представляющие собой структуры с различным исполнением опорного проводника: в центре [8] (не экранированная структура), вокруг (кабель), сверху и снизу (многослойная ПП) [9], в виде боковых полигонов (двусторонняя ПП) [10]. Теоретические [11] и экспериментальные [12] исследования этих структур с МР показали, что после отказа резервируемого проводника максимальная амплитуда напряжения импульсов (итах) на выходе резервного проводника при воздействии СШП импульса изменяется. При этом для каждого из трех оставшихся резервных проводников итах будет изменяться по-разному. Поэтому целесообразно после отказа резервируемого проводника переключаться на тот проводник, у которого итах будет минимальным при воздействии СШП импульса. После отказа 2 и 3 выбор резервного проводника не влияет на итах. Однако именно после отказа 1 определяется порядок переключения, при котором итах будет минимальным как после отказа 1, так и после отказа 2. В работе [11] определен порядок переключения для структур с трехкратным МР при исходных и оптимальных наборах параметров (по критериям выравнивания амплитуд и временных интервалов импульсов разложения) после отказов только на концах проводников, но отказы вдоль проводников не рассматривались.

Отказы вдоль проводника часто возникают из-за технологических дефектов. В [13] предложена классификация технологических дефектов ПП. В [14] представлены основные виды дефектов сквозного металлизированного отверстия (СМО) в ПП высокой плотности. В [15] предложена классификация дефектов паяных соединений. Все эти дефекты могут приводить к обрывам сигнальных проводников или замыканию на землю или соседний проводник. Также к выгоранию проводника вдоль, может привести электростатический разряд [16].

При анализе итах на конце резервируемого проводника при отказе вдоль резервного, возникает проблема большого количества вычислений. В [17] разработан алгоритм анализа структур с трехкратным МР после отказов, который полностью охватывает анализ, как на концах, так и вдоль проводников. Выполнена апробация алгоритма. Следующий этап состоит в том, чтобы использовать этот алгоритм для структур, рассмотренных в [11]. Для полноты исследования необходимо выполнить анализ этих структур с учетом отказов вдоль проводников.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

Цель работы - выполнить моделирование, оценку и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным МР учитывая отказы вдоль проводников.

Методы и подходы

Моделирование проводилось в системе TALGAT [18] без учета потерь в проводниках и диэлектриках. Оно основано на методе моментов и позволяет выполнить квазистатический анализ структур произвольной сложности. Алгоритм, реализованный в системе, позволяет вычислять матрицы (L и C) погонных параметров многопроводной линии передачи. Используя модифицированный метод узловых потенциалов в частотной области и быстрое преобразование Фурье, можно рассчитать временной отклик на воздействие произвольной формы. Далее приводится общий алгоритм для анализа структур в системе TALGAT:

1. Подключение модулей UTIL, MATRIX, RESPONSE, MOM2D с использованием команд CLEAR_SCHEME, CLEAR_RESPONSE и CLEAR_STRUCTURE, RESPONSE_CLEAR для очистки временной памяти, выделенной системой.

2. Построение поперечного сечения по заданным геометрическим параметрам исследуемых структур.

3. Задание граничных условий и сегментации поперечного сечения.

4. Вычисление матриц погонных параметров L и C.

5. Создание эквивалентных схем для моделирования структур и вычисления отклика.

5.1. Задание отрезка линии передачи и его параметров (матрицы L, C и длина линии).

5.2. Задание граничных условий в виде схем из RLC-элементов с сосредоточенными параметрами.

5.3. Задание воздействия в виде источника трапециевидного импульса.

5.4. Задание временного шага (число отсчетов на фронт) и числа отсчетов на период повторения импульсов.

5.5. Вычисление временного отклика.

После того, как для каждой структуры выполняются пункты 1-4 алгоритма, выполняется пункт 5, в котором считается, что структура без отказов, если все нагрузки на концах резервируемого и резервных проводников согласованы со структурой (по половине ЭДС на входе). На рис. 1 представлена эквивалентная схема каждой из структур с трехкратным МР. Где R согласующая нагрузка структуры длиной l.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

R V2 -0— V6 —G- R

R V3 —е— V7 —в— R

R V L, C, l V8 R

R V5 —е— V9 —в— R

Рис. 1. Эквивалентная схема структур с трехкратным МР

Далее представлен алгоритм анализа структур с трехкратным МР после отказов [17]. Данный алгоритм выполняется на основе пункта 5 описанного выше общего алгоритма.

1. Определение Umax на дальнем конце резервируемого проводника до отказов при i^</min|Ax,|, где t^ - общая длительность воздействующего импульса.

2. Расчет значений Umax в конце активного проводника после отказов 1, 2, 3 на концах проводников для вариантов переключения 1, 2, 3.

3. Построение зависимостей значений Umax от номера отказа на концах проводников для вариантов переключения 1, 2, 3.

4. Представление структуры в виде N отрезков длиной //N, где / - длина всей структуры, а N определяется требуемой точностью анализа (в данной работе N=4, 10).

5. Расчет значений Umax для вариантов переключения после отказов 1, 2, 3 (выбранных схемных моделей) вдоль проводников для вариантов переключения 1, 2, 3.

6. Построение зависимостей значений Umax от номера отказа вдоль проводников для вариантов переключения 1, 2, 3.

7. Анализ полученных результатов.

Далее представлены схемные модели, имитирующие реальные отказы вдоль проводников линии передачи с трехкратным МР. Схемные модели, имитирующие отказы (КЗ, ХХ и их вариации) в начале и конце проводников, представлены на рис. 2. При отказе вдоль проводника в произвольном месте структура длиной / делится на два участка с длинами /1 и /2. Схемные модели, имитирующие отказы вдоль проводника в произвольном месте, представлены на рис. 3 и 4.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

К

V * V2

Ry3

к

R

а)

V2

) u к R tv-

H R

к R

R

V R

H

34 H

R

R y

К

* V4

К

R

к

R V3

к

б)

R H

R H

* R H

в) г)

Рис. 2. Схемные модели: а) КЗ на выходе, б) обрыв на выходе, в) КЗ на входе, г) обрыв на входе проводника

а)

б)

в) г)

Рис. 3. Схемные модели: а) обрыв проводника с замыканием концов на землю,

б) обрыв проводника, в) обрыв проводника с замыканием левого конца на землю, г) обрыв проводника с замыканием правого конца на землю на выходе и входе первого и второго участков линии передачи

5

2

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

R • Vf R Я KEA R • Vf R я

H R V6 R H к R >Vi. V6 R H

H R V7 Vif R H к R V7 Vif R H

к R V8 R я к R R я

а) б)

в) г)

Рис. 4. Схемные модели: а) обрыв проводника с замыканием левого конца на соседний проводник, б) обрыв проводника с замыканием правого конца на соседний проводник, в) КЗ на землю, г) замыкание соседних проводников

На рис. 5 представлена эквивалентная схема, имитирующая последовательные отказы на одном из концов и вдоль активного проводника, для симметричных структур с трехкратным МР [11].

Далее приводятся ограничения применения алгоритма в данном исследовании. Результаты апробации алгоритма (представленные в [17]) показали, что при анализе структур с трехкратным МР целесообразно использовать импульс с ^~/тт|Дтг-|. Значения итах для исследуемых структур при исходном и оптимальном наборах параметров после отказов 1, 2 и 3 на концах проводников для вариантов переключения 1, 2, 3 рассмотрены в [11] (рассмотрены пункт 2 и 3 алгоритма). При анализе структуры после отказов 1 и 2 она представляется в виде N последовательно соединенных отрезков. После отказа 1 принято N=10, чтобы число точек вдоль длины проводника было не очень большим, но достаточным для выявления максимального изменения итах. После отказа 2 принято N=4, поскольку максимальные изменения итах наблюдаются при отказах по середине и примерно на У и % длины проводника. Таким образом, пункты 2 и 4 алгоритма не рассматриваются. С целью анализа структуры после отказа 2, выполнено по 27 вычислений для вариантов переключения 1, 2 и 3 при отказах 1 и 2 вдоль проводника (для 9 точек вдоль длины отрезка для 3 отказов) структур с исходным и оптимальными наборами параметров на одном расстоянии от начала линии, так как проводить 153 вычисления (как это сделано в [17]) не целесообразно. Отказ 3 не рассматривается, так как он не влияет на порядок переключения. Рассматри-

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

ваются схемные модели, имитирующие отказы вдоль проводника в произвольном месте, представленные на рис. 3 и 4. При этом, ситуация при отказах с замыканием на соседний проводник (рис. 4 а, б и г) рассмотрена только после перового отказа и анализируется отдельно, так как отказывают сразу два проводника.

Без отказов

После отказа 2

После отказа 3

Рис. 5. Эквивалентная схема, имитирующая последовательные отказы на одном из концов активного проводника, для симметричных структур с трехкратным МР

Структура с исполнением опорного проводника в центре

Далее представлены моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным МР для структуры с исполнением опорного проводника в центре [8], после отказов вдоль проводников.

Поперечное сечение структуры представлено на рис. 6. Исходный набор параметров: 5=400 мкм; ^=300 мкм; /=105 мкм; И=300 мкм; ег=5. Оптимальный набор параметров: 5=510 мкм; ^=1600 мкм; /=18 мкм; И=500 мкм; ^=1600 мкм. Эквивалентная схема структуры приведена на рис. 1.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

w___w

t I I_

h П1 О П2 £г

----------1-- —-1—

w

ГО П4

w w

Рис. 6. Поперечное сечение структуры с исполнением опорного проводника в центре, где проводники: П1, П2, П3, П4 - сигнальные (резервируемый и резервные); О - опорный

На вход структуры длиной 0,5 м с исходным и оптимальным наборами параметров до отказов, подавались импульсы с ЭДС 2 В с ¿х=70, 80 пс, соответственно (в соответствии с пунктом 1 алгоритма, рассмотренного выше, для каждого набора параметров). Из вычисленных откликов на выходе (рис. 7) видно, что воздействующие импульсы раскладываются на 4 импульса с итах~0,25 В.

0,3

m

^ 0,2 <и К К

s0,1

ьч

CP

к

0

2,4

PQ

Ь'

0,3

0,2

О) '

S К

^0,1

X

0

4

2,8 3,2 3,6 4 " 2,4 2,8 3,2 3,6 Время нс Время нс

а) б)

Рис. 7. Формы напряжения на дальнем конце активного проводника структуры для исходного (а) и оптимизированного (б) наборов параметров

Далее рассматривается влияние отказов вдоль проводников на изменения Umax на дальнем конце резервируемого проводника. Схемные модели отказов вдоль проводников представлены на рис. 3 и 4. На рис 8, 9 и 10 представлены зависимости Umax от длины участка l1 при отказах вдоль проводника структуры с исходным и оптимальным наборами параметров после отказа 1 для вариантов переключения 1, 2, 3, соответственно.

Из рис. 8 а, 9 а и 10 а видно, что Umax увеличивается до 0,41, 0,43, 0,35 В, соответственно. При этом, для рис. 8 а и 9 а наибольшее Umax наблюдается при отказах на середине резервного проводника, для рис. 10а - на расстоянии 0,1 м. Из рис. 8 б, 9 б и 10 б видно, что Umax изменяется до 0,48, 0,48, 0,33 В, соответственно. При этом, для рис. 8 б и 9 б наибольшее Umax наблюдается на середине линии, для рис. 106 на расстоянии 0,1 м.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

0,5

ffl 0'4

J0'3

0,2

/к • ••■Л

1

0,5 0,4 §0,3 0,2

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина/ь м

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина /1, м

а) б)

Рис. 8. Зависимости итах от 11 при отказе типов ХХ-ХХ (••••), ХХ-КЗ (КЗ-ХХ) (- -),

КЗ-КЗ (-), ХХ-замыкание на П3 (—), ХХ-замыкание на П4 (—),

замыкание на П3 (- • -), КЗ на П4 (.....) для варианта переключения 1

для структуры с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

0,5

0,5 0,4

m

<¿0,3

Ь'

а

0,2

-- — -- .........-

Л- 1, ' У

Ь, 4

II

0,4

m

I 0,3

b

0,2

г >.

¿■' \ \

Y

// ^....

~ - ........

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина /ь м

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина /1, м

а) б)

Рис. 9. Зависимости Umax от l\ при отказе типов XX-XX (••••), XX-K3 (K3-XX) (- -),

КЗ-КЗ (-), ХХ-замыкание на П2 (- -), ХХ-замыкание на П4 (—),

замыкание на П2 (- • -), замыкание на П4 (•••) для варианта переключения 2 для структуры с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

0,5

0,5 0,4

m

„0,3

0,2

0,4

m

S0,3

0,2

0,05 0,15 0,25 0,35 Длина /1, м

а)

0,45

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина /1, м

б)

Рис. 10. Зависимости итах от 11 при отказе типов ХХ-ХХ (••••), ХХ-КЗ (КЗ-ХХ) (- -),

КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П2 ( — ), ХХ-замыкание на П3 (—),

замыкание на П2 (- • -), замыкание на П3 (.....) для варианта переключения 3 для

структуры с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

На рис. 11 представлены зависимости Цпах на дальнем конце резервируемого проводника структур с исходным и оптимальным наборами параметров после отказа 2 вдоль проводника, на одном расстоянии от начала линии, от номера вычисления.

0,б 0,5

В, 0,4

й

bS0,3 0,2

lili—lililí—i i i i i i i—I I I I I I—r~r~i

1 6 11 16 21 26 Номер вычисления

а)

0,б 0,5

0,4

ä

Um0,3 0,2

PQ

| I | | I I i I I I I i I I I I i I I I I i I

6 11 16 21 26 Номер вычисления

б)

Рис. 11. Зависимости Umax на дальнем конце резервируемого проводника структур с исходным (а) и оптимизированными (б) наборами параметров после отказа 2 от номера вычисления при вариантах переключения

1 (- -), 2 (• •) и 3 (-)

Из рис. 11 а видно, что Umax изменяется до 0,46, 0,48, 0,38 В для вариантов 1, 2 и 3, соответственно. Из рис. 11 б видно, что Umax изменяется до 0,53, 0,57, 0,37 В для вариантов 1, 2 и 3, соответственно. При варианте 3 для рис. 11 а и б, наблюдаются наименьшие значения и перепады Umax при 27 вычислениях.

На рис. 12 представлены зависимости Umax для вариантов переключения 1, 2, 3 после отказов вдоль проводников. Из рис. 12 а видно, что после отказа 1 для варианта 2 наименьшее Umax=0,3 В, а после отказа 2 наименьшее Umax=0,38 В для варианта 3. Таким образом, нельзя сделать однозначного вывода, какой вариант переключения оптимален для неоптимизированного набора параметров.

11

0,8

® 0,б

„

Ь*0,4 0,2

.Г -г

В

0,8 0,б

-1-1-

012

Номер отказа

а)

0,4 0,2

Г

0 l 2 3 Номер отказа

б)

Рис. 12. Зависимости Umax для вариантов 1 (•••), 2 (- -), 3 (-) от номера отказа вдоль проводника для структур с исходным (а) и оптимизированными (б) наборами параметров

1

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

Из рис. 12 б видно, что после отказов 1 и 2 наименьшие значения Umax у варианта 3. Они равны 0,33 В и 0,37 В, соответственно. Таким образом, для оптимизированного набора параметров оптимален вариант переключения проводников 3.

В таблице 1 представлены зависимости Umax для вариантов 1, 2, 3 от отказов вдоль проводников, а также отказов вдоль проводников, которые выводят из строя сразу два проводника (обозначены серым цветом) в сравнении с отказами на концах проводников, рассмотренных в [11].

Таблица 1 - Зависимости Umax для вариантов 1, 2, 3 от отказов на конце (—), вдоль проводников (—) и двух проводников одновременно (—)_

н К а К CP cö

m

Исходные

Оптимальные

PQ

1

0,8

0,6

g

bS0,4 0,2

1

0,8 m 0,6

J-

b

10,4

0,2

J-

0 12 3 Номер отказа

0 1 2 3 Номер отказа

m

1

0,8 0,6

b 0,4 0,2

J-

1

0,8 0,6 0,4 0,2

PQ

I

J-

0 1 2 3 Номер отказа

0 1 2 3 Номер отказа

1

0,8 PQ 0,6

b

e0,4

0,2

i-

1

0,8 rn0,6

b

§0,4

0,2

i'

0123 Номер отказа

0 1 2 3 Номер отказа

l

2

3

Видно, что изменение значения итах для оптимального варианта переключения (вариант 3) меньше, чем для остальных. При этом, итах при отказах сразу

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

двух проводников входит в диапазон Umax. Таким образом, из анализа отказов на конце и вдоль проводников структур с оптимизированным набором параметров оптимален вариант переключения 3, поскольку значения Umax после отказов 1 и 2 на 13 и 69 % меньше, чем для максимальных значений Umax других вариантов.

Далее представлены моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным МР для структуры с исполнением опорного проводника вокруг, после отказов вдоль проводников.

Поперечное сечение структуры представлено на рис. 13. Исходный набор параметров: радиусы проводников гп=1,5 мм, радиусы диэлектриков гд=1,75 мм, радиус опорного проводника ^=4,35 мм и ег=10. Оптимальный набор параметров: гп=900 мкм (проводник П1); гп=800 мкм (проводник П2); гп=700 мкм (проводник П3); гп=800 мкм (проводник П4); гд=970 мкм (диэлектрик П1); гд=950 мкм (диэлектрик П2); гд=950 мкм (диэлектрик П3); гд=950 мкм (диэлектрик П4); ^=3500 мкм; ег=30 (диэлектрик П1); ег=16 (диэлектрик П2); ег=6 (диэлектрик П3); ег=5 (диэлектрик П4). Эквивалентная схема структуры приведена на рис. 1.

Рис. 13. Поперечное сечение структуры с исполнением опорного проводника вокруг, где проводники: П1, П2, П3, П4 - сигнальные (резервируемый и резервные); О - опорный

На рис. 14 представлены формы напряжений на дальнем конце активного проводника структуры для исходного и оптимального наборов параметров. При импульсах длительностью 80 и 55 нс, подаваемых на вход структуры длиной 1 м, получено ¿7^=0,5, 0,29 В, соответственно.

На рис 15, 16 и 17 представлены зависимости итах от 11 при отказе 1 вдоль проводника структуры с исходным и оптимизированным наборами параметров после отказа 1 для вариантов переключения 1, 2, 3, соответственно.

Из рис. 15 а, 16 а и 17 а видно, что Цтах изменяется до 0,464, 0,5, 0,5 В, соответственно. Из рис. 15 б, 16 б и 17 б видно, что итах изменяется до 0,465, 0,62, 0,62 В, соответственно.

Структура с исполнением опорного проводника вокруг

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

PQ

b'

0,6

„0,4 и

10,2 t4 CP

X

0

5 6 7 8 Время t, нс

а)

0,3 В

^ 0,2 е и н

s0,1

я р

9

X

0

3,5 4 4,5

Время t, нс

б)

Рис. 14. Формы напряжения на дальнем конце активного проводника структуры для исходного (а) и оптимизированного (б) наборов параметров

5

0,6

0,5

В

ä0,4

0,3

0,6

0,5

В

• »«с..... :/

,0,4

0,3

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Длина /1, м

а)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Длина /1, м

б)

Рис. 15. Зависимости итах от /1 при отказе типов ХХ-ХХ (••••), ХХ-КЗ

(КЗ - ХХ) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П3 (—), ХХ-замыкани

на П4 (—), замыкание на П3 (- • -), замыкание на П4 (.....) для варианта переключения 1 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

0,6 0,7

В, 0,5

§

0,4

/

В

0,6

/

____/

0,5

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Длина /1, м

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Длина /1, м

а) б)

Рис. 16. Зависимости итах от /1 при отказе типов ХХ-ХХ (••••), ХХ-КЗ

(КЗ - ХХ) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П2 (—), ХХ-замыкание на

П4 (—), замыкание на П2 (- • -), замыкание на П4 (.....) для варианта переключения 2 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

0,6

m 0,5

s

0,4

^ ____

/

l" - ¡Al-'JL........

/

1 1 1 1

0,7

0,6

0,5

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Длина l1, м

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Длина l1, м

а) б)

Рис. 17. Зависимости Umax от l1 при отказе типов XX-XX (••••), XX-K3

(КЗ - XX) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П2 ( — ), ХХ-замыкание на

П3 (—), замыкание на П2 (- • -), замыкание на П3 (.....) для варианта переключения 3 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

С целью анализа после отказа 2, выполнено 27 вычислений при отказах 1 и 2 вдоль проводника структур с исходным и оптимальным наборами параметров на одном расстоянии от начала линии для вариантов переключения 1, 2, 3. После отказа 2 Umax изменяется до 0,6, 0,5, 0,5 В для исходного набора параметров и до 0,8 В - для оптимального.

На рис. 18 представлены зависимости Umax для вариантов переключения 1, 2, 3 от отказов.

1

0,8

m

>< . s 0,6

b

0,4

1

0,8 И 0,6

b

Я0,4

-1-1-г~

0 12 3 Номер отказа

а)

0,2

-1-1-Г"

0 12 3 Номер отказа

б)

Рис. 18. Зависимости Umax для вариантов 1 (•••), 2 (- -), 3 (-) от номера отказа вдоль проводника для структур с исходным (а) и для варианта 1 (—) -с оптимальным (б) наборами параметров

Из рис. 18 а видно, что после отказа 1 для варианта 2 будет наименьшее значение Umax равное 0,3 В, а после отказа 2 наименьшее значение Umax равное 0,38 В будет для варианта 3. Таким образом, нельзя сделать однозначного вывода, какой вариант переключения оптимален для неоптимизированного набора параметров.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

Из рис. 18 б видно, что после отказов 1 и 2 наименьшие значения итах у варианта 3. Они равны 0,33 В и 0,37 В, соответственно. Таким образом, для оптимизированного набора параметров оптимален вариант переключения проводников 3.

На рис. 19 и 20 представлены зависимости итах для вариантов 1, 2, 3 от отказов на конце и вдоль проводников, а также отказов вдоль проводников, которые выводят из строя сразу два проводника (обозначены серым цветом).

1

PQ

0,8

0,6

J0,4 ^ 0,2

0

1

0,8 « 0,6

J0,4

Ь 0,2

0

1

0,8 « 0,6 ¡0,4 Ь 0,2

0

Номер отказа а)

Номер Отказа б)

1

I

3

3

Номер отказа в)

Рис. 19. Зависимости итах для вариантов 1 (а), 2 (б), 3 (в) от отказов на конце (—), вдоль проводников (—) и отказов двух проводников

одновременно (—)

1

3

1

m

ь

1

0,8 0,6 s0,4

0,2

0

1

3

Номер отказа

Рис. 20. Зависимости итах для оптимального варианта 3 от отказов на конце (—), вдоль проводников (—) и отказов двух проводников

одновременно (—)

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

Видно, что изменение значения Umax для оптимального варианта переключения меньше, чем для остальных вариантов. При этом Umax для отказов сразу двух проводников входит в диапазон Umax для отказов на конце и вдоль проводников. Таким образом, из анализа отказов на конце и вдоль проводников структур с исходным набором параметров оптимальны варианты переключения 2 и 3, а с оптимизированным - вариант 1, поскольку Umax после отказов 1 и 2 на 5 и 38 % меньше, чем для максимальных значений Umax других вариантов.

Структура с исполнением опорного проводника сверху и снизу (многослойная печатная плата)

Далее представлены моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным модальным резервированием для структуры с исполнением опорного проводника сверху и снизу [9] после отказов вдоль проводников. Поперечное сечение структуры представлено на рис. 21. Исходные параметры поперечного сечения: ^=200 мкм, w=200 мкм, t=35 мкм, h=180 мкм, sr1=10, sr2=4,3, расстояние от стенок до структуры 360 мкм (сверху и снизу). Оптимальные параметры: s=200 мкм (без изменений); w=260 мкм; t=135 мкм; h=100 мкм; sr не менялись. Эквивалентная схема структуры придавлена на рис. 1.

w 5 w О 6r2

(\ 1

h П1 П3 П2 П4 Sri

w hi w О

Рис. 21. Поперечное сечение структуры с исполнением опорного проводника сверху и снизу, где проводники: П1, П2, П3, П4 - сигнальные (резервируемый и

резервные); О - опорный

На вход структуры длиной 0,5 м, с исходным и оптимальным наборами параметров до отказов, подавались импульсы с ЭДС 2 В и ¿х=50, 120 пс, соответственно (в соответствии с пунктом 1 алгоритма, рассмотренного выше, для каждого набора параметров). Из вычисленных форм напряжений на дальнем конце активного проводника видно (рис. 22), что воздействующие импульсы раскладываются на 4 импульса со значениями итах по 0,25 и 0,243 В для исходного и оптимизированного наборов параметров, соответственно.

На рис. 23, 24 и 25 представлены зависимости итах от 11 при отказах вдоль проводника после отказа 1 для вариантов переключения 1, 2, 3, соответственно.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

0,3

rn , U0,2

S

S 0,1

t4 CP

к

0

3 3,5 4 4,5 Время t, нс

0,3

В

b" 0,2 <D

S

5 0,1

*

я

6 0

5 Д 3,5 4 4,5 Время t, нс

5

5,5

а) б)

Рис. 22. Формы напряжения на дальнем конце активного проводника структуры для исходного (а) и оптимизированного (б) наборов параметров

В

b

0,5

0,4 |0,3

0,2

В

0,5 0,4

b

¡0,3

0,2

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина /1, м

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина /1, м

а) б)

Рис. 23. Зависимости Umax от /1 при отказе типов XX-XX (••••), XX-K3

(КЗ - XX) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П3 (—), ХХ-замыкание на

П4 (—), замыкание на П3 (- • -), замыкание на П4 (.....) для варианта переключения 1 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

В

0,5 0,4

b

¡0,3

0,2

0,1 0,2 0,3 Длина /ь м

а)

0,4

0,5 0,4

PQ

>

о

*0,3

0,2

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина/ь м

б)

Рис. 24. Зависимости Umax от /1 при отказе типов XX-XX (••••), XX-КЗ

(КЗ - XX) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П2 (—), ХХ-замыкание на

П4 (—), замыкание на П2 (- • -), замыкание на П4 (.....) для варианта переключения 2 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

PQ

0,5

0,4

b

s0,3

0,2

0,05 0,15 0,25 0,35 Длина /ь м

а)

0,5

PQ

0,4

b

s0,3

0,2

0,45

0,05 0,15 0,25 0,35 Длина /ь м

б)

0,45

Рис. 25. Зависимости итах от !\ при отказе типов ХХ-ХХ (••••), ХХ-КЗ

(КЗ - XX) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П2 ( — ), ХХ-замыкание на

П3 (—), замыкание на П2 (- • -), замыкание на П3 (.....) для варианта переключения 3 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

Из рис. 23 а, 24 а и 25 а видно, что итах изменяется до 0,33, 0,32, 0,33 В, соответственно. Из рис. 23 б, 24 б и 25 б видно, что итах изменяется до 0,37, 0,42, 0,33 В, соответственно.

На рис. 26 представлены зависимости итах на дальнем конце резервируемого проводника структур, с исходным и оптимальным наборами параметров после отказа 2 вдоль проводника на одном расстоянии от начала линии, от номера вычисления.

0,6 0,5 PQ 0,4

b

s0,3

0,2

• ft •:

i й i А и Я

i Uinnn

0,6 0,5 PQ 0,4

b

s0,3

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

1 6 11 16 21 26 Номер вычисления

0,2

i—I—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i

1 6 11 16 21 26 Номер вычисления

а) б)

Рис. 26. Зависимости Umax на дальнем конце резервируемого проводника структур с исходным (а) и оптимальным (б) наборами параметров после отказа 2 от номера вычисления при вариантах переключения 1 (- -), 2 (• •) и 3 (—)

Из рис. 26 а видно, что при вариантах переключения 1, 2, 3 после отказа 2 наблюдается изменение значения итах до 0,52, 0,55 и 0,34 В, соответственно. После отказа 2 оптимален вариант переключения 3 для структуры с исходными параметрами. А для рис. 26 б наблюдается изменение значения итах до 0,52, 0,55 и

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

0.34 В, соответственно. После отказа 2 оптимален вариант переключения 3 для структуры с оптимизированными параметрами.

На рис. 27 представлены зависимости Цщах, для вариантов переключения

1, 2, 3, от номера отказов.

1

0,8

PQ

0,6 ^0,4 0,2

0 12 3 Номер отказа

а)

1

0,8 * 0,6

J0,4 0,2

J

0 12 3 Номер отказа

б)

Рис. 27. Зависимости итах для вариантов 1 (•••), 2 (- -), 3 (-) от номера отказа вдоль проводника для структур с исходным (а) и оптимальным (б) наборами параметров

Из рис. 27 а видно, что после отказа 1 для варианта 2 будет наименьшее значение Umax=0,3 В, а после отказа 2 наименьшее значение Umax=0,38 В будет для варианта 3. Таким образом, нельзя сделать однозначного вывода, какой вариант переключения оптимален для неоптимизированного набора параметров. Из рис. 27 б видно, что после отказов 1 и 2 наименьшие значения Umax будут у варианта 3. Они равны 0,33 В и 0,37 В, соответственно. Таким образом, для оптимизированного набора параметров оптимален вариант переключения проводников 3.

В таблице 2 представлены зависимости Umax для вариантов 1, 2, 3 от отказов на конце и вдоль проводников, а также отказов вдоль проводников, которые выводят из строя сразу два проводника (обозначены серым цветом).

Видно, что изменение значения Umax для оптимального варианта переключения (вариант 3) меньше, чем для остальных вариантов. При этом Umax для отказов сразу двух проводников входит в диапазон Umax для отказов на конце и вдоль проводников. Таким образом, из анализа отказов на конце и вдоль проводников структур с оптимизированным набором параметров оптимален вариант переключения 3, поскольку Umax после отказов 1 и 2 на 8 и 54 % меньше, чем для максимальных значений Umax других вариантов.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

Таблица 2 - Зависимости Umax для вариантов 1, 2, 3 от отказов на конце (—), вдоль проводников (—) и двух проводников одновременно (—)_

н К а К

ей

m

Исходные

Оптимизированные

1

0,8 ® 0,6

J 0,4 0,2

J-

PQ

U

1

0,8 0,6 $,4 0,2

J-

0 12 3 Номер отказа

0 1 2 3 Номер отказа

1

0,8 «0,6

0,2

1

0,8 ® 0,6

ь„0,4 0,2

г

J-

_г

0 1 2 3 Номер отказа

-1-1-Г"

0 12 3 Номер отказа

1

0,8 И 0,6

Ь^ 0,4 0,2

1

0,8

PQ 0,6

,

Ь"

0,4 0,2

г

J-

0 12 3 Номер отказа

-1-1-г~

0 12 3 Номер отказа

1

2

3

Структура с исполнением опорного проводника в виде боковых полигонов

Далее представлены моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным модальным резервированием, для структуры с исполнением опорного проводника в виде боковых полигонов [10], после отказов вдоль проводников. Поперечное сечение структуры представлено на рис. 28. Исходные параметры поперечного сечения: 5=510 мкм; ^=1600 мкм; ширина опорного проводника ^1=1600 мкм; /=35 мкм; И=500 мкм; ^=1600 мкм (в данной структуре это расстояние между опорным проводником до ближайшего сигнального); ег=4,5. Оптимальные параметры: 5=220 мкм; ^=500 мкм; ^1=1600 мкм (без изменений); /=18 мкм; И=300 мкм; ^=800 мкм.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

w1

t d

w

w

d

w1

О П1 П2 О

h s,

О П3 П4 О

w1

d

w

w

d

w1

Рис. 28. Поперечное сечение структуры с исполнением опорного проводника в виде боковых полигонов (двусторонняя 1111), где проводники: П1, П2, П3, П4 - сигнальные (резервируемый и резервные); О - опорный

На вход структуры длиной 0,5 м с исходным и оптимизированным наборами параметров до отказов, подавались импульсы с ЭДС 2 В с /х=70, 80 пс, соответственно (в соответствии с пунктом 1 алгоритма, рассмотренного выше, для каждого набора параметров). Из вычисленных откликов на выходе (рис. 29) видно, что воздействующие импульсы раскладываются на 4 импульса с итах=0,25 В.

0,3

PQ

¡^0,2 О)

К

30,1

Г

ьч

CP

к

0

2,5 3

Время t, нс

а)

б)

Рис. 29. Формы напряжения на дальнем конце активного проводника структуры для исходного (а) и оптимального (б) наборов параметров

На рис. 30, 31 и 32 представлены зависимости итах от ¡1 при отказах вдоль проводника после отказа 1 для вариантов переключения 1, 2, 3, соответственно.

На рис. 33 представлены зависимости итах на дальнем конце резервируемого проводника структур с исходным и оптимальным наборами параметров после отказа 2 вдоль проводника на одном расстоянии от начала линии от номера вычисления.

Из рис. 33 б видно, что при вариантах переключения 1, 2, 3 после отказа 2 наблюдается изменение значения итах до 0,495, 0,506 и 0,411 В. После отказа 2 оптимален вариант переключения 3.

На рис. 34 представлены зависимости итах для вариантов переключения 1, 2, 3 от отказов.

s

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

PQ

0,5 0,4 Ю,3 0,2

0,5 0,4

PQ

§0,3

0,2

\\

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45

Длина 11, м Длина 11, м

а) 1 б) 1

Рис. 30. Зависимости итах от 11 при отказе типов ХХ-ХХ (••••), ХХ-КЗ

(КЗ - XX) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П3 (—), ХХ-замыкание на

П4 (—), замыкание на П3 (- • -), замыкание на П4 (.....) для варианта переключения 1 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами 0,5 0,5

0,4

PQ

Ю,3

0,2

0,4

PQ

§0,3

0,2

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 Длина l1, м Длина l, м

а) б)

Рис. 31. Зависимости Umax от l1 при отказе типов XX-XX (••••), XX-K3

(КЗ - XX) (—), КЗ - КЗ (-), ХХ-замыкание на П2 (—), ХХ-замыкание на

П4 (—), замыкание на П2 (- • -), замыкание на П4 (.....) для варианта переключения 2 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

0,5

0,4

PQ

¡¡0,3

0,2

0,5

0,4

PQ

Ю,3

0,2

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45

Длина l1, м Длина l1, м

а) 1 б) 1

Рис. 32. Зависимости Umax от l1 при отказе типов XX-XX (••••), XX-КЗ (КЗ - XX) (- - -), КЗ - КЗ (---), ХХ-замыкание на П2 ( - - - ), ХХ-замыкание на П3 (—), замыкание на П2 (- • -), замыкание на П3 (.....) для варианта переключения 3 для структур с исходными (а) и оптимизированными (б) параметрами

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

0,6 0,5 « 0,4

X Й

bS0,3 " 0,2

i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i

1 6 11 16 21 Номер вычисления

а)

26

0,6 0,5

« 0,4

й

b*0,3 0,2

1 6 11 16 21 26 Номер вычисления

б)

Рис. 33. Зависимость Umax на дальнем конце резервируемого проводника структур с исходным (а) и оптимизированными (б) наборами параметров после отказа 2 от номера вычисления при вариантах переключения

1 (- -), 2 (• •) и 3 (-)

PQ

>

с

ьЕ

1

0,8 0,6

¡0,4

0,2

S

1

0,8 m 0,6

b

s

ез0,4

-1-1-r~

0 12 3 Номер отказа

а)

0,2

______>

-1-1-r~

0 1 2 3 Номер отказа

б)

Рис. 34. Зависимости Umax для вариантов 1 (•••), 2 (- -), 3 (-) от номера отказа вдоль проводника для структур с исходным (а) и оптимизированными (б) наборами параметров

Из рис. 34 а видно, что после отказа 1 для варианта 2 будет наименьшее значение Umax равное 0,3 В, а после отказа 2 наименьшее значение Umax равное 0,38 В будет для варианта 3. Таким образом, нельзя сделать однозначного вывода, какой вариант переключения оптимален для неоптимизированного набора параметров.

Из рис. 34 б видно, что после отказов 1 и 2 наименьшие значения Umax будут у варианта 3. Они равны по 0,33 В и 0,37 В, соответственно. Таким образом, для оптимизированного набора параметров оптимален вариант переключения проводников 3.

В таблице 3 представлены зависимости Umax для вариантов 1, 2, 3 от отказов на конце и вдоль проводников, а также отказов вдоль проводников, которые выводят из строя сразу два проводника (обозначены серым цветом).

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Systems of Control, Communication and Security

ISSN 2410-9916

Видно, что изменение значения Umax для оптимального варианта переключения (вариант 3) меньше, чем для остальных вариантов. При этом, Umax для отказов сразу двух проводников входит в диапазон Umax для отказов на конце и вдоль проводников. Таким образом, из анализа отказов на конце и вдоль проводников структуры с оптимизированным набором параметров оптимален вариант переключения 3, поскольку Umax после отказов 1 и 2 на 19 и 72 % меньше, чем для максимальных значений Umax других вариантов.

Таблица 3 - Зависимости итах для вариантов 1, 2, 3 от номера отказов на конце (-), вдоль проводников (—) и отказов двух проводников одновременно

_(--)_

н К а S

с?

m

Исходные

Оптимальные

PQ

1

0,8 0,6 ^0,4 0,2

1

0,8 m 0,6

I

----T333J

b

s0,4

0,2

0 12 3 Номер отказа

0 12 3 Номер отказа

1

0,8 m 0,6

b

s

s0,4

0,2

L

J

-1-1-1

0 12 3 Номер отказа

1

0,8 ® 0,6

b*0,4 0,2

0 12 3 Номер отказа

1

0,8 ffl 0,6 6 0,4

b

0,2

1

0,8 m 0,6

ь

s0,4

0,2

0 12 3 Номер отказа

-1-1-1

0 12 3 Номер отказа

1

2

3

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

Выводы

Таким образом, выполнены моделирование, оценка и выбор оптимального порядка переключения цепей с трехкратным модальным резервированием после отказов вдоль проводников. Практическая значимость определяется возможностью учета специфики таких отказов для задания оптимального порядка переключения. Так, для структуры с исполнением опорного проводника в центре с оптимизированным набором параметров оптимален вариант переключения 3, поскольку значения Umax после отказов 1 и 2 на 13 % и 69 % меньше, чем для наихудшего варианта. Для структуры с исполнением опорного проводника вокруг с оптимизированным набором параметров оптимален вариант 1, поскольку значения Umax после отказов 1 и 2 на 5 % и 38 % меньше, чем для наихудшего варианта. Для структуры с исполнением опорного проводника сверху и снизу с оптимизированным набором параметров оптимален вариант переключения 3, поскольку значения Umax после отказов 1 и 2 на 8 % и 54 % меньше, чем для наихудшего варианта. Для структуры с исполнением опорного проводника в виде боковых полигонов с оптимизированным набором параметров оптимален вариант переключения 3, поскольку значения Umax после отказов 1 и 2 на 19 % и 72 % меньше, чем для наихудшего варианта. Таким образом, выбор оптимального варианта переключения после отказов 1 и 2 для рассмотренных структур позволяет уменьшить максимальное выходное напряжение на 5-72 %.

Работа выполнена при финансовой поддержке российского научного фонда (проект №20-19-00446) в ТУСУРе.

Литература

1. IEC 61508-1:2010. Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems. Part 1: General requirements. Edition 2.0 2010-04. Geneva: International Electrotechnical Commission (IEC), 2010. 127 р.

2. Здухов Л.Н., Исаев А.П., Парфёнов Ю.В., Титов Б. А. Методика оценки вероятности сбоев цифровых устройств при воздействии сверхкоротких электромагнитных импульсов // Журнал радиоэлектроники. 2011. № 5. С. 6.

3. Pissoort D., Lannoo J., Van Waes J., Degraeve A., Boydens J. Techniques and measures to achieve EMI resilience in mission- or safety-critical systems // IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine. 2017. Vol. 6. No. 4. P. 107-114.

4. Здухов Л.Н., Парфёнов Ю.В., Тарасов О.А., Чепелев В.М. Три возможных механизма возникновения отказов электронных устройств в результате электромагнитного воздействия // Технологии ЭМС. 2018. № 2(65). С. 22-34.

5. Gazizov A.T., Zabolotskii A.M., Gazizov T.R. Measurement and simulation of time response of printed modal filters with broad-side coupling // Journal of Communications Technology and Electronics. 2018. Vol. 63. No. 3. P. 270-276.

6. Gazizov T.R., Orlov P.E., Zabolotsky A.M., Kuksenko S.P. New concept of critical infrastructure strengthening // International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics. 2016. Vol. 1738. № 1. P. 1-3.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

7. Шарафутдинов В.Р., Газизов Т.Р. Анализ способов резервирования на основе модальной фильтрации // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 3. C. 117-144.

8. Жечев Е.С., Белоусов А.О., Газизов Т.Р., Зоболоцкий А.М., Черникова Е.Б. Способ компоновки печатных проводников для цепей с модальным резервированием // Патент на изобретение RU 2751672 C1, опубл. 15.07.2021, бюл. №20. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46476496 (дата обращения 21.05.2023).

9. Шарафутдинов В.Р., Газизов Т.Р., Медведев А.В. Способ трехкратного резервирования межсоединений // Патент на изобретение RU 2738955, опубл. 21.12.2020, бюл. №36. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44621770 (дата обращения 21.05.2023).

10. Газизов Т.Р., Орлов П.Е., Шарафутдинов В.Р. Способ трехкратного резервирования цепей в многослойных печатных платах // Патент на изобретение RU 2663230, опубл. 02.08.2018, Бюл. №22. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38155960 (дата обращения 21.05.2023).

11. Belousov A.O., Medvedev A.V., Chernikova E.B., Gazizov T.R., Zabolotsky A.M. Switching order after failures in symmetric protective electrical circuits with triple modal reservation // Symmetry. 2021. Vol. 13. No. 6. P. 1-22.

12. Medvedev A.V., Zhechev Y.S., Gazizov T.R. Experimental Study of a Structure with Triple Modal Reservation Before and After Failures // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 2022. Vol. 65. No. 1. P. 1-4.

13. Данилова Е.А. Классификация дефектов печатных плат // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2013. Т. 1. С. 325-328.

14. Bin Y., Chen H., Lu Y., Luo D. Study of key failure modes of PTH in high density printed board and case study // 2014 15th International conference on electronic packaging technology. Chengdu, China. 2014. P. 923-927.

15. Kovtun I., Boiko J., Petrashchuk S. Nondestructive strength diagnostics of solder joints on printed circuit boards // 2017 International conference on information and telecommunication technologies and radio electronics (UkrMiCo). 2017. P. 1-4.

16. Lingayat T.D. Prediction of electrostatic discharge soft failure issue in case of a six layer PCB of a tablet using SIwave tool // 2016 IEEE International conference on recent trends in electronics, information & communication technology (RTEICT). Bangalore, India. 2016. P. 1361-1366.

17. Медведев А.В., Газизов Т.Р. Алгоритм анализа структур с трехкратным модальным резервированием после отказов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2021. № 4. С. 59-66.

18. Kuksenko S.P. Preliminary results of TUSUR University project for design of spacecraft power distribution network: EMC simulation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. № 012110. P. 1-7.

References

1. IEC 61508-1:2010. Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems. Part 1: General requirements. Edition 2.0 2020-04. Geneva, International Electrotechnical Commission (IEC), 2010. 127 р.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

2. Zdukhov L.N., Isaev A.P., Parfyonov Y.V., Titov B.A. Metodika otcenke veroiatnosti sboev cifrovih ystroistv pri vozdeistvii sverhkorotkih ielktromagnitnih impulsov [Methodology for estimating the failure probability of digital devices when exposed to ultra-short electromagnetic pulses]. Jyrnal Radioelektronik, 2011, no. 5, pp. 1-6 (in Russia).

3. Pissoort D., Lannoo J., Van Waes J., Degraeve A., Boydens J. Techniques and measures to achieve EMI resilience in mission- or safety-critical systems. IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, 2017, vol. 6, no. 4, pp. 107-114.

4. Zdoukhov L.N., Parfenov Yu.V., Tarasov O.A., Chepelev V.M. Tre vozmohnih mehanizma vozniknovenia otkazov elektronih ystroistv v rezultate elektromagnitnogo vozdeistvia [Three possible mechanisms for the failure of electronic devices as a result of electromagnetic interference]. Tehnologii Elektromagnitnoi Sovmestimosti, 2018, no. 2, pp. 22-34 (in Russia).

5. Gazizov A.T., Zabolotskii A.M., Gazizov T.R. Measurement and Simulation of Time Response of Printed Modal Filters with Broad-Side Coupling. Journal of Communications Technology and Electronics, 2018, vol. 63, no. 3, pp. 270-276.

6. Gazizov T.R., Orlov P.E., Zabolotsky A.M., Kuksenko S.P. New concept of critical infrastructure strengthening. AIP Conference Proceedings, 2016, vol. 1738, 4 p.

7. Sharafutdinov V.R., Gazizov T.R. Analiz sposobov rezervirovania na osnove modalnoy filtracii [Analysis of redundancy methods based on modal filtering]. Sistemi Ypravlenia, Svazi i Bezopasnosti, 2019, no. 3, pp. 117-144 (in Russia).

8. Zhechev E.S., Belousov A.O., Gazizov T.R., Zabolotsky A.M., Chernikova E.B. Method of printed conductor layout for modal redundant circuits // Patent Russian, no. RU 2751672 C1. Publish. 15.07.2021, bul. no. 20. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46476496 (accessed 21.05.2023) (in Russian).

9. Sharafutdinov V.R., Gazizov T.R., Medvedev A.V. Method of triple interconnection reservation. Patent Russian, no. RU 2738955. Publish. 21.12.2020, bul. no. 36. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44621770 (accessed 21.05.2023) (in Russian).

10. Gazizov T.R., Orlov P.E., Sharafutdinov V.R. Method for triple circuit redundancy in multilayer printed circuit boards. Patent Russian, no. RU 2663230. Publish. 02.08.2018, bul. no. 22. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38155960 (accessed 21.05.2023) (in Russian).

11. Belousov A.O., Medvedev A.V., Chernikova E.B., Gazizov T.R., Zabolotsky A.M. Switching order after failures in symmetric protective electrical circuits with triple modal reservation. Symmetry, 2021, vol. 13, no. 6, pp. 1-22.

12. Medvedev A.V. Zhechev Y.S., Gazizov T.R. Experimental Study of a Structure with Triple Modal Reservation Before and After Failures. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2022, vol. 65, no. 1, pp. 1-4.

13. Danilova E.A. Klassifikacia defektov pechatnih plat [Classification of PCB defects]. Materialy Mezhdunarodnogo Simpoziuma «Nadezhnost' i Kachestvo», 2013, no. 1, pp. 325-328 (in Russia).

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

14. Bin Y., Chen H., Lu Y., Luo D. Study of key failure modes of PTH in high density printed board and case study. 2014 15th International Conference on Electronic Packaging Technology, 2014, pp. 923-927.

15. Kovtun I., Boiko J., Petrashchuk S. Nondestructive strength diagnostics of solder joints on printed circuit boards. 2017 International conference on information and telecommunication technologies and radio electronics (UkrMiCo), 2017. pp. 1-4.

16. Lingayat T.D. Prediction of electrostatic discharge soft failure issue in case of a six layer PCB of a tablet using SIwave tool. 2016 IEEE International conference on recent trends in electronics, information & communication technology (RTEICT), Bangalore, India. 2016. pp. 1361-1366.

17. Medvedev A.V., Gazizov T.R. Algoritm analiza stryktyr s trehkratnim modalnim rezervirovaniem posle otkazov [Analysis algorithm for structures with threefold modal reservation after failures]. Problemy RazvitiyaPerspektivnyh Mikro- i Nanoelektronnyh Sistem (MES), 2021, no. 4, pp. 59-66 (in Russia).

18. Kuksenko S.P. Preliminary results of TUSUR University project for design of spacecraft power distribution network: EMC simulation. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019, no. 012110, pp. 1-7.

Информация об авторе

Медведев Артём Викторович - соискатель ученой степени кандидата технических наук. Младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории фундаментальных исследований по электромагнитной совместимости. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Область научных интересов: электромагнитная совместимость, устройства защиты, модальная фильтрация. E-mail: medart20@rambler.ru

Адрес: 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, д. 40.

Simulating, evaluating, and selecting the optimum switching order for circuits with triple modal reservation after failures along

the conductors

A. V. Medvedev

Problem statement: When constructing competitive radioelectronic devices (REDs), particular attention should be paid to their high quality and reliability. This process must involve all stages of hardware production, starting with the design of printed circuit boards and cables. Modal reservation (MR) is a technique of improving electromagnetic compatibility andfunctional safety, which implies an increase in reliability. Theoretical studies of structures with MR have shown that failures at the ends of conductors in a reserved circuit can be successfully simulated by changing the boundary conditions: short circuit (SC) or open circuit (OC). However, various faults can also occur along the conductors. Their simulation models are more complex than those of faults at the ends ofconductors. However, in order to determine the switching order of conductors more accurately, it is necessary to analyse various structures with triple MR and take into account failures both at the ends and along the conductors. Purpose of work: The purpose of this study is to simulate, evaluate, and select the optimum conductor switching order for circuits with triple MR, considering failures along the conductors. Methods used: To simulate, evaluate, and select the conductor switching order, we employ a quasistatic analysis system that uses an algorithm for analysing structures with triple MR before and after failures. Novelty: This is the first time, when structures with triple MR are analysed using initial and optimal

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203

Системы управления,связи и безопасности №2. 2023

Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916

parameter sets after failures along the conductors. Result: The optimal switching order after failures along the conductors is determined for each of the structures. Practical relevance: The relevance is determined by the fact that the proposed approach allows taking into account the idiosyncratic nature of such failures to specify the optimal switching order of the conductors.

Key words: electromagnetic compatibility, functional safety, redundancy, modal reservation, printed circuit board, failure.

Information about Author

Artem Viktorovich Medvedev - Doctoral Student. Research Assistant of the Research Laboratory of Fundamental Research on Electromagnetic Compatibility. Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics. Field of research: electromagnetic compatibility, protection devices, modal filtration. E-mail: medart20@ram-bler.ru

Address: Russia, 634035, Tomsk, Lenina prospect, 40.

DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-175-203