1553B 總線電路冷備份使用情況下總線端口潛通路分析驗證

劉士全，曹曉斌，蔡潔明，王 棟

(中國電子科技集團第 58 研究所，江蘇 無錫 214035)

0 引言

1553B 總線是美國軍用標準 MIL-STD-1553B 總線的簡稱，它采用帶屏蔽的雙絞線作為串行數(shù)據(jù)總線，使用時分制指令/響應(yīng)型傳輸協(xié)議，其傳輸速率為1 Mb/s，傳輸方式為半雙工，其形式類似于一個局域網(wǎng)[1]。由于 1553B 總線的高可靠性和實時性[2]，其在航空、航天等眾多型號單機系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在航天領(lǐng)域里為了進一步增加衛(wèi)星等設(shè)備的可靠性和使用壽命，一種冷備份的使用方法被提出，這種使用方法比較特殊，使用不當，可能造成1553B 總線通信網(wǎng)絡(luò)異常，并帶來負面影響，因此對冷備份使用情況下的1553B 總線通信研究很有必要。

1 冷備份使用介紹

航天用戶在使用 1553B 總線電路時，設(shè)計了A、B 兩套完全一致的單機系統(tǒng)，兩套單機系統(tǒng)總線輸出并聯(lián)在一起，互為備份使用[3]。 互為備份的 A、B單機系統(tǒng)，正常工作時A、B 單機其中一個正常上電工作，另外一個斷電處于冷備份狀態(tài)，當正常使用的單機出現(xiàn)異常時，通過指令控制單機斷電，并給另外一臺單機上電，進行切換使用。 因為備份單機未加電，因此稱為冷備份。在冷備份使用時，要求正常使用的單機器件和斷電的單機器件不能相互影響，特別是輸出并聯(lián)在一起的端口，不能將正常輸出端口上的電信號， 潛通到不加電的電路電源端，導致器件相互影響。

圖 1 所示為 1553B 總線冷備份連接示意圖，從圖中可以看出，在 A 機斷電 B 機上電或是B 機斷電A 機上電工作時，只要總線上進行數(shù)據(jù)通信，電路端口上的信號是一直存在的[4]，手冊上給出的總線信號幅度范圍是 6VPP～9VPP，實測值及典型值在 7VPP左右[5]。 對于斷電的單機系統(tǒng)，總線上的電壓信號通過耦合變壓器、隔離變壓器施加在1553B 電路總線驅(qū)動管腳上[6]，本文重點分析施加在總線電路驅(qū)動端口管腳上的電信號潛通到電源端的情況。

圖1 1553B 總線冷備份連接示意圖

2 1553B 總線電路端口結(jié)構(gòu)分析

1553B 電路在使用過程中， 總線差分信號通過隔離變壓器連接到收發(fā)器芯片的TXOUT 和NTX OUT 端，芯片內(nèi)部兩端采用了相同的端口結(jié)構(gòu)[7]，端口結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

1553B 總線電路在斷電的情況下，電源電壓掉電后電壓接近 0 V，此時電源端電壓小于PMOS 管開啟閾值電壓(0.7 V)，PMOS 管處于關(guān)閉狀態(tài)。 但是由于收發(fā)器總線端口正常工作時，需要提供600 mA～700 mA 的電流來驅(qū)動隔離變壓器進行通信，因此收發(fā)器總線端口的 PMOS 管尺寸較大。 大的 PMOS管由于工藝結(jié)構(gòu)的特性，導致端口到電源存在一個寄生二極管[8]，原因是大 PMOS 管襯底與電源直接相連，這樣源端與襯底NWELL 形成二極管的一端(N 端)， 大 PMOS 管漏端形成二極管的另一端(P端)，由于 PN 結(jié)的存在而形成一個寄生二極管，如圖 3 所示。

圖2 1553B 總線控制器總線端口功能框圖

當收發(fā)器正常工作時，寄生二極管處于反偏狀態(tài)，不影響電路的正常使用。 另外該寄生二極管還可以對電路起到保護作用，當總線端口遇到 ESD 靜電時，該寄生二極管可以為ESD 靜電提供一個泄放通道[9]，從而避免靜電電壓對電路內(nèi)部器件造成損傷。 然而當 1553B 總線電路斷電處于冷備份狀態(tài)時，1553B 總線上的電壓信號經(jīng)過耦合變壓器和隔離變壓器加載總線端口上，此時通過該二極管會把電壓信號潛通到電源端。

圖3 1553B 總線控制器總線端口寄生二極管示意圖

3 潛通路測試驗證

3.1 測試框圖

模擬用戶單機系統(tǒng)冷備份使用情況，1553B 總線電路+5 V Logic、+5 V VA、+5 V VB 三組電源并聯(lián)，斷電后處于懸空狀態(tài)，根據(jù)用戶使用的變壓器耦合方式，1553B 總線電路 A 通道總線接口通過隔離變壓器、耦合變壓器連接 1553B 通信總線，1553B 通信總線給幅度可調(diào)的6VPP～9VPP曼徹斯特編碼信號[10]，該信號用戶實際使用時一般在7VPP左右，電源端串聯(lián)電流表1，電路總線管腳TX/RX-A 串聯(lián)電流表2，并采用直流檔位進行測試，電路測試框圖如圖 4 所示。

3.2 掉電情況潛通路測試

首先 1553B 總線器件正常上電后，1553B 總線端口持續(xù)給信號，在總線信號一直存在的情況下，斷開+5 V 供電電源，測試器件電源端的掉電情況，測試是否有電壓潛通到電源端[11]。

測試條件：

(1)測試器件：1553B 總線電路BU-65170S6-110K；

(2)電源電壓：正常上電給+5 V 電壓，穩(wěn)定后斷開；

(3)1553B 總線信號：信號幅度7VPP，100%占空比；

(4)測試電阻：R1=10 kΩ；

(5)利用示波器觀察器件掉電情況。

測試結(jié)果如圖5 所示。

3.3 總線100%占空比潛通電壓電流測試

利用圖 4 測試框圖，在 1553B 總線上施加6VPP～9VPP曼徹斯特編碼信號，電源端斷電，并在電源對地之間串接一個可調(diào)電阻[12]，模擬單機板級負載。通過電壓表觀察測試電源端斷電情況下潛通電壓的變化情況[13]。

圖5 器件電源電壓掉電情況測試波形圖

測試條件：

(1)測試器件：DDC 公司 BU-65170S6-110K；

(2)電源電壓：電源斷電；

(3)1553B 總線信號：信號幅度 6VPP、7VPP、8VPP、9VPP，100%占空比；

(4)測 試 電 阻 R1：500 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、不接測試電阻；

(5)利用電壓表、電流表觀察測試器件潛通電壓、電流情況。

具體測試數(shù)據(jù)如表 1、表 2、表 3 所示。

3.4 總線10%～75%占空比潛通電壓電流測試

利用圖 4 測試框圖，在 1553B 總線上施加 7VPP曼徹斯特編碼信號，電源端斷電，并在電源對地之間串接一個可調(diào)電阻，模擬單機板級負載，改變1553B總線通信信號占空比。 通過電壓表和電流表觀察測試電源端斷電情況下潛通電壓、電流的變化情況[14]。

圖4 測試驗證框圖

表1 總線施加100%占空比信號電源端潛通電壓

表2 總線施加100%占空比信號電源端潛通電流電流表1

表3 總線施加100%占空比信號總線管腳端潛通電流電流表2

測試條件：

(1)測試器件：BU-65170S6-110K；

(2)電源電壓：電源斷電；

(3)1553B 總線信號幅度：7VPP；

(4)1553B 總 線 信 號 占 空 比 ：10% 、30% 、50% 、75%；

(5)測 試 電 阻 R1：500 Ω、1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、不接測試電阻；

(6)利用電壓表、電流表觀察測試器件潛通電壓、電流情況。

具體測試數(shù)據(jù)如表 4、表 5、表 6 所示。

表4 總線施加10%～75%占空比信號電源端潛通電壓

表5 總線施加10%～75%占空比信號電源端潛通電流電流表1

表6 總線施加10%～75%占空比信號總線管腳端潛通電流電流表2

4 結(jié)論

經(jīng)過上述總線端口結(jié)構(gòu)分析和比對數(shù)據(jù)分析可以看出，在總線上持續(xù)給不同幅值、不同占空比信號，并在電源端施加不同阻值負載的情況下[15]，總線信號通過管腳潛通到電源端的電壓和電流都非常小，潛通電壓沒有超過MOS 管開啟閾值電壓(0.7 V)，總線電壓潛通到管腳和電源端的漏電流也比較小，因此1553B 總線電路在冷備份使用環(huán)境下，主份電路和冷備份電路之間沒有相互影響，可正常工作使用。