【摘 要】
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随着供配电自动化系统越来越复杂、智能化越来越高,供配电自动化系统的可靠运行对整个电网的安全运行至关重要。供配电自动化系统的控制芯片作为系统的指挥中心,其可靠性也越发受到重视。随着大型核电站的增多以及航空航天技术的发展,核辐射、外太空射线以及封装过程中的裂变衰变等可能导致中子、质子、α粒子等高能粒子轰击控制芯片,从而容易导致芯片中发生软错误(softerror,SE),如果无法及时恢复,最终可能会导
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随着供配电自动化系统越来越复杂、智能化越来越高,供配电自动化系统的可靠运行对整个电网的安全运行至关重要。供配电自动化系统的控制芯片作为系统的指挥中心,其可靠性也越发受到重视。随着大型核电站的增多以及航空航天技术的发展,核辐射、外太空射线以及封装过程中的裂变衰变等可能导致中子、质子、α粒子等高能粒子轰击控制芯片,从而容易导致芯片中发生软错误(softerror,SE),如果无法及时恢复,最终可能会导致控制芯片出错甚至失效。软错误是由粒子轰击引起的暂态故障导致的暂态错误,其目前的主要类型表现为单粒子翻转(single event upset,SEU)、单粒子双节点翻转(single event double upset,SEDU)和单粒子瞬态(single event transient,SET)。随着工艺的进步,在尺寸更小的集成电路组成的控制芯片中,粒子轰击可能会导致存储单元内双节点的逻辑状态变化,相关的研究表明,当CMOS集成电路的特征尺寸降低到90nm后,电荷共享导致的SEDU已经严重影响到了控制芯片中集成电路的可靠性。论文研究了供配电自动化系统控制芯片的可靠性加固,并提出了三种抗辐射加固锁存结构,其中一种只能容忍SEU,另外两种可以容忍SEU以及SEDU。论文依次介绍了供配电自动化系统控制芯片可靠性加固的意义、影响芯片可靠性的软错误的主要因素,以及仿真运用的HSPICE仿真工具,其次介绍了一些过去提出的加固结构和近年来的最新研究成果,设计了三种新型的加固结构,思路上是采取逐步深入的设计:只用于SEU防护的结构,可以同时进行SEU和SEDU防护的结构,最后提出了一个同时可以对SEU、SEDU和SET进行防护加固的结构。研究了只考虑SEU时,控制芯片可靠性受到的影响,并提出了一种低开销的抗SEU加固结构。该结构基于C单元加入了反馈回路来保证电路的可靠性和减少电路在功耗延时上的开销。仿真结果证明了结构设计的可靠性,对比于前人提出的经典容错结构,本结构设计在容错能力上有了很大的进步,且大大减少了开销。研究了同时考虑SEU和SEDU时,控制芯片可靠性受到的影响。论文提出了新型的高性能容错结构设计,以解决多节点问题造成的逻辑错误。该锁存器对MNUTL结构进行了改进,减少了功耗和延时,并弥补了多节点翻转容忍上的不足,加强了结构的稳定性。HSPICE仿真表明,提出的容错结构可以很好地容忍可能导致电路逻辑错误的软错误。研究了同时考虑SEU、SEDU以及SET时,控制芯片可靠性受到的影响。论文提出了一种基于双重互锁结构的软错误加固单元,并对该单元的开销和适应性进行了分析。HSPICE仿真结果表明,不同工作电压下该单元均可对软错误进行防护,证明了结构的可行性和不同环境下的适用性。与其他加固结构相比,该结构有着较低的功耗和延时开销,并具有更全面的容错能力,可以防护因为上述因素导致的软错误所产生的逻辑错误问题。图[40]表[11]参[71]
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