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为太空任务打造高性能电子设备

时间:2019-09-19 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
太空辐射流主要由85%的质子和15%的重核组成。辐射效应可能使设备性能产生退化,受到干扰,甚至运行中断。合格的太空元器件最重要的就是能确保长期可靠的运行。

未来在外太空探测中所使用的科学工具将产生大量数据。为了处理这些数据,星载计算机需要具备更高的运算能力。然而,极端的工作环境成为了改善这些设备性能的最大挑战。

太空环境存在一些特殊情况,可能影响甚至降低太空材料的机械特性,而对整个设备的结构运作产生负面影响。

太空辐射流主要由85%的质子和15%的重核组成。辐射效应可能使设备性能产生退化,受到干扰,甚至运行中断。合格的太空元器件最重要的就是能确保长期可靠的运行。

太空辐射

太空——包括地球大气层以上的区域——充斥着许多可能损坏半导体器件的高能粒子,例如,范艾伦辐射带(Van Allen belt)中的电子和质子、银河宇宙射线、X射线和紫外线等。一般来说,有两大类效应——累积效应和单粒子事件效应——会导致微电子电路工作参数发生变化(图1)。

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图1:大量离子攻击CMOS存储单元的剖面图。

带电粒子和γ射线会产生电离,进而导致器件的参数发生改变,这种改变可以根据电离辐射总剂量(TID)参数来估算。所吸收的电离辐射剂量通常以rad(即1g材料吸收100erg能量)为单位进行计量(近年来rad逐渐被gray取代:1rad=0.01Gy)。由于每单位质量的能耗因材料而异,因此沉积剂量的材料总是以计量单位来指定,例如rad(Si)或rad(GaAs)。

TID是由于太阳活动而长期暴露在电子和质子下的累积效应。供电电流、扩散电流、阈值电压和传播时间等元件参数的逐渐退化,都是TID故障的特征。航天器和卫星要运行多长时间,以及轨道高度是多少,决定了元器件必须满足的电离辐射剂量水平。典型的辐射量在10到100krad(Si)之间。

累积效应是指经年累月的损害累积到某一天,而使太空设备内的电子元件终于无法使用。这些损害在实验室中是可以预测的,我们可以通过这一信息,为每架太空飞行器设定一个可行的平均寿命。

另一方面,单粒子效应(SEE)却是不可预测的,它随时可能出现,具体取决于电子设备存放的位置。SEE分为两类:瞬态效应(或软错误),如单粒子瞬态(SET)和单粒子翻转(SEU);灾难性效应,如单粒子烧毁(SEB)、单粒子栅穿(SEGR)和单粒子锁定(SEL)。

每个单粒子效应的产生,都是因为粒子通过器件之后,在敏感区域积累了电荷。根据库仑定律,半导体器件中若有粒子通过,则将产生一个直径从几百纳米到几微米的电子空穴对。

根据不同的因素,粒子可能导致无法观察到的效应(SET)、微处理器电路工作受到瞬态扰动、逻辑状态发生变化(SEU、SEL),或者对器件或集成电路造成永久性损坏(SEGR、SEB)。

目前采用的预防措施是避免将卫星置于范艾伦辐射带区域,也可在太阳风流量增加期间关闭它们。业界也制造和使用了防护罩来抗辐射(但它们有时可能很重)。但最重要的是在设计中采用抗辐射元器件,并在实验室对其进行测试(图2)。

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图2:抗辐射器件示例。(图片来源:Aeroflex)

卫星架构

现代通信卫星的结构设计有利于将其置于合适的轨道,同时有助于实现其功能。卫星的中心部分包括了大部分电子设备、推进系统及相应的燃料储罐(图3)。

卫星中使用太阳能传感器来识别太阳的位置,以此作为卫星定位的主要参考点。推进系统用于将卫星保持在适当的位置。其服务平台或模块则提供控制卫星方向、推进、热调节和功率的功能。控制系统的典型元器件包括惯性测量单元(IMU),以及用于处理信号和监测卫星位置的电子元器件。陀螺仪用于确保卫星指向的稳定性。对于通信系统,有效载荷包括天线、低噪声放大器(LNA)和本地振荡器。如果是GPS导航卫星,还包括原子钟、信号发生器和放大器。

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图3:卫星结构示意图。(图片来源:NASA)

控制系统

在航空航天和国防市场用电子系统方面,电源控制和散热管理可能是最关键的问题。电力电子领域的开发趋势是在缩小设备尺寸的同时提高其效率,以便使以热耗散损耗掉的功率随着“处理”热量的区域缩小而减少。

卫星的散热控制系统需要精心设计,才能让卫星的所有部分在任务的所有阶段均保持在可接受的温度范围。散热控制对于确保最佳性能和任务成功至关重要,其涉及的几个元件通过比例积分微分(PID)算法来管理。

尽管必须满足热约束条件,但不能以降低性能为代价,因此,散热管理系统的精密设计和操作十分必要。

PID控制是各行各业普遍接受的控制算法,由以积分方程表示的三个参数(P、I和D)所组成。

PID控制器的目的在于保持输出稳定,以使过程变量或反馈值与设定点或期望输出之间的误差为零。其控制行为基于三种配置:比例、积分和微分。比例控制器(或称P控制器)提供与误差e(t)成比例的输出。

由于P控制器存在局限——过程变量和设定点之间总是存在偏差——因此需要采用积分控制器(或称I控制器)来消除这一稳态误差。当出现负误差时,积分控制会降低其输出。它会限制响应速度并影响系统的稳定性。

I控制器无法预测未来的误差行为,它通常在设定点发生变化后立马作出反应。微分控制器(或称D控制器)则通过预测未来的误差行为解决这一问题,其输出为误差随时间的变化率乘以导数常数。微分控制可预测系统行为,从而可改善稳定时间和系统的稳定性(图4)。

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图4:PID控制系统方框图。(图片来源:ADI)

更多数据

人造卫星运营商对数据的渴望永无止境,因此明确要求卫星设计应具有更高的传感器能力。这导致过多的信息产生,使得对卫星本身完成信号处理的能力提出了更高的要求,从而使下行链路带宽得到有效利用。Interstellar项目旨在改善航空航天与国防应用的ADC/DAC性能。这些器件将促进卫星通信、导航和科学任务的各种数据采集链解决方案。作为Interstellar项目的一部分,Teledyne e2v的EV12AQ600是首款带有交叉点开关(CPS)的12位ADC。因此,该ADC可同时运行其四个内核,采样率超过6GSps。

执行遥感任务的卫星在信号处理上面临重大瓶颈。针对太空应用进行封装和测试的最大FPGA,历来是采用静态随机存取存储器(SRAM)设计。但SRAM单元中的任何辐射都可能导致FPGA设计配置发生变化,从而导致系统故障。设计人员不得不采取更多缓解措施,包括读取和校正FPGA配置存储器。基于闪存的FPGA提供了解决此问题的新方法——它同时使用了针对信号处理应用优化的架构和65nm Flash工艺,可有效防御因太空辐射而引起的配置损耗。例如Microsemi基于耐辐射闪存的FPGA系列产品(RTG4系列),配备了针对信号处理应用优化的高性能架构。Xilinx抗辐射和耐辐射FPGA(如Virtex-5QV)则满足极端环境下的性能、可靠性和生命周期要求,与传统的ASIC相比 ,可实现更短的设计时间、更低的成本,降低项目风险,并提供更大的灵活性。

航空航天一直是最先进的技术领域。即便是在一系列用于执行关键任务的卫星上所使用的简单连接器,也完全无法承受可靠性出现任何问题。随着太空中需要管理的数据量日益增加,FPGA在太空中的应用也越来越多。现代抗辐射FPGA可确保可靠工作以及任务成功。

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。

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