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如何才能為太空任務(wù)打造高性能的電子設(shè)備

Wildesbeast ? 來源:未知 ? 2019-10-04 12:37 ? 次閱讀

未來在外太空探測中所使用的科學(xué)工具將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。為了處理這些數(shù)據(jù),星載計(jì)算機(jī)需要具備更高的運(yùn)算能力。然而,極端的工作環(huán)境成為了改善這些設(shè)備性能的最大挑戰(zhàn)。

太空環(huán)境存在一些特殊情況,可能影響甚至降低太空材料的機(jī)械特性,而對整個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)運(yùn)作產(chǎn)生負(fù)面影響。

太空輻射流主要由85%的質(zhì)子和15%的重核組成。輻射效應(yīng)可能使設(shè)備性能產(chǎn)生退化,受到干擾,甚至運(yùn)行中斷。合格的太空元器件最重要的就是能確保長期可靠的運(yùn)行。

太空輻射

太空——包括地球大氣層以上的區(qū)域——充斥著許多可能損壞半導(dǎo)體器件的高能粒子,例如,范艾倫輻射帶(Van Allen belt)中的電子和質(zhì)子、銀河宇宙射線、X射線和紫外線等。一般來說,有兩大類效應(yīng)——累積效應(yīng)和單粒子事件效應(yīng)——會(huì)導(dǎo)致微電子電路工作參數(shù)發(fā)生變化(圖1)。

圖1:大量離子攻擊CMOS存儲單元的剖面圖。

帶電粒子和γ射線會(huì)產(chǎn)生電離,進(jìn)而導(dǎo)致器件的參數(shù)發(fā)生改變,這種改變可以根據(jù)電離輻射總劑量(TID)參數(shù)來估算。所吸收的電離輻射劑量通常以rad(即1g材料吸收100erg能量)為單位進(jìn)行計(jì)量(近年來rad逐漸被gray取代:1rad=0.01Gy)。由于每單位質(zhì)量的能耗因材料而異,因此沉積劑量的材料總是以計(jì)量單位來指定,例如rad(Si)或rad(GaAs)。

TID是由于太陽活動(dòng)而長期暴露在電子和質(zhì)子下的累積效應(yīng)。供電電流、擴(kuò)散電流、閾值電壓和傳播時(shí)間等元件參數(shù)的逐漸退化,都是TID故障的特征。航天器和衛(wèi)星要運(yùn)行多長時(shí)間,以及軌道高度是多少,決定了元器件必須滿足的電離輻射劑量水平。典型的輻射量在10到100krad(Si)之間。

累積效應(yīng)是指經(jīng)年累月的損害累積到某一天,而使太空設(shè)備內(nèi)的電子元件終于無法使用。這些損害在實(shí)驗(yàn)室中是可以預(yù)測的,我們可以通過這一信息,為每架太空飛行器設(shè)定一個(gè)可行的平均壽命。

另一方面,單粒子效應(yīng)(SEE)卻是不可預(yù)測的,它隨時(shí)可能出現(xiàn),具體取決于電子設(shè)備存放的位置。SEE分為兩類:瞬態(tài)效應(yīng)(或軟錯(cuò)誤),如單粒子瞬態(tài)(SET)和單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU);災(zāi)難性效應(yīng),如單粒子燒毀(SEB)、單粒子?xùn)糯⊿EGR)和單粒子鎖定(SEL)。

每個(gè)單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生,都是因?yàn)榱W油ㄟ^器件之后,在敏感區(qū)域積累了電荷。根據(jù)庫侖定律,半導(dǎo)體器件中若有粒子通過,則將產(chǎn)生一個(gè)直徑從幾百納米到幾微米的電子空穴對。

根據(jù)不同的因素,粒子可能導(dǎo)致無法觀察到的效應(yīng)(SET)、微處理器電路工作受到瞬態(tài)擾動(dòng)、邏輯狀態(tài)發(fā)生變化(SEU、SEL),或者對器件或集成電路造成永久性損壞(SEGR、SEB)。

目前采用的預(yù)防措施是避免將衛(wèi)星置于范艾倫輻射帶區(qū)域,也可在太陽風(fēng)流量增加期間關(guān)閉它們。業(yè)界也制造和使用了防護(hù)罩來抗輻射(但它們有時(shí)可能很重)。但最重要的是在設(shè)計(jì)中采用抗輻射元器件,并在實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行測試(圖2)。

圖2:抗輻射器件示例。(圖片來源:Aeroflex)

衛(wèi)星架構(gòu)

現(xiàn)代通信衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于將其置于合適的軌道,同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)其功能。衛(wèi)星的中心部分包括了大部分電子設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)及相應(yīng)的燃料儲罐(圖3)。

衛(wèi)星中使用太陽能傳感器來識別太陽的位置,以此作為衛(wèi)星定位的主要參考點(diǎn)。推進(jìn)系統(tǒng)用于將衛(wèi)星保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩F浞?wù)平臺或模塊則提供控制衛(wèi)星方向、推進(jìn)、熱調(diào)節(jié)和功率的功能。控制系統(tǒng)的典型元器件包括慣性測量單元(IMU),以及用于處理信號和監(jiān)測衛(wèi)星位置的電子元器件陀螺儀用于確保衛(wèi)星指向的穩(wěn)定性。對于通信系統(tǒng),有效載荷包括天線、低噪聲放大器(LNA)和本地振蕩器。如果是GPS導(dǎo)航衛(wèi)星,還包括原子鐘、信號發(fā)生器和放大器。

圖3:衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖。(圖片來源:NASA)

控制系統(tǒng)

在航空航天和國防市場用電子系統(tǒng)方面,電源控制和散熱管理可能是最關(guān)鍵的問題。電力電子領(lǐng)域的開發(fā)趨勢是在縮小設(shè)備尺寸的同時(shí)提高其效率,以便使以熱耗散損耗掉的功率隨著“處理”熱量的區(qū)域縮小而減少。

衛(wèi)星的散熱控制系統(tǒng)需要精心設(shè)計(jì),才能讓衛(wèi)星的所有部分在任務(wù)的所有階段均保持在可接受的溫度范圍。散熱控制對于確保最佳性能和任務(wù)成功至關(guān)重要,其涉及的幾個(gè)元件通過比例積分微分(PID)算法來管理。

盡管必須滿足熱約束條件,但不能以降低性能為代價(jià),因此,散熱管理系統(tǒng)的精密設(shè)計(jì)和操作十分必要。

PID控制是各行各業(yè)普遍接受的控制算法,由以積分方程表示的三個(gè)參數(shù)(P、I和D)所組成。

PID控制器的目的在于保持輸出穩(wěn)定,以使過程變量或反饋值與設(shè)定點(diǎn)或期望輸出之間的誤差為零。其控制行為基于三種配置:比例、積分和微分。比例控制器(或稱P控制器)提供與誤差e(t)成比例的輸出。

由于P控制器存在局限——過程變量和設(shè)定點(diǎn)之間總是存在偏差——因此需要采用積分控制器(或稱I控制器)來消除這一穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)誤差時(shí),積分控制會(huì)降低其輸出。它會(huì)限制響應(yīng)速度并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

I控制器無法預(yù)測未來的誤差行為,它通常在設(shè)定點(diǎn)發(fā)生變化后立馬作出反應(yīng)。微分控制器(或稱D控制器)則通過預(yù)測未來的誤差行為解決這一問題,其輸出為誤差隨時(shí)間的變化率乘以導(dǎo)數(shù)常數(shù)。微分控制可預(yù)測系統(tǒng)行為,從而可改善穩(wěn)定時(shí)間和系統(tǒng)的穩(wěn)定性(圖4)。

圖4:PID控制系統(tǒng)方框圖。(圖片來源:ADI

更多數(shù)據(jù)

人造衛(wèi)星運(yùn)營商對數(shù)據(jù)的渴望永無止境,因此明確要求衛(wèi)星設(shè)計(jì)應(yīng)具有更高的傳感器能力。這導(dǎo)致過多的信息產(chǎn)生,使得對衛(wèi)星本身完成信號處理的能力提出了更高的要求,從而使下行鏈路帶寬得到有效利用。Interstellar項(xiàng)目旨在改善航空航天與國防應(yīng)用的ADC/DAC性能。這些器件將促進(jìn)衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和科學(xué)任務(wù)的各種數(shù)據(jù)采集鏈解決方案。作為Interstellar項(xiàng)目的一部分,Teledyne e2v的EV12AQ600是首款帶有交叉點(diǎn)開關(guān)(CPS)的12位ADC。因此,該ADC可同時(shí)運(yùn)行其四個(gè)內(nèi)核,采樣率超過6GSps。

執(zhí)行遙感任務(wù)的衛(wèi)星在信號處理上面臨重大瓶頸。針對太空應(yīng)用進(jìn)行封裝和測試的最大FPGA,歷來是采用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)設(shè)計(jì)。但SRAM單元中的任何輻射都可能導(dǎo)致FPGA設(shè)計(jì)配置發(fā)生變化,從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。設(shè)計(jì)人員不得不采取更多緩解措施,包括讀取和校正FPGA配置存儲器。基于閃存的FPGA提供了解決此問題的新方法——它同時(shí)使用了針對信號處理應(yīng)用優(yōu)化的架構(gòu)和65nm Flash工藝,可有效防御因太空輻射而引起的配置損耗。例如Microsemi基于耐輻射閃存的FPGA系列產(chǎn)品(RTG4系列),配備了針對信號處理應(yīng)用優(yōu)化的高性能架構(gòu)。Xilinx抗輻射和耐輻射FPGA(如Virtex-5QV)則滿足極端環(huán)境下的性能、可靠性和生命周期要求,與傳統(tǒng)的ASIC相比 ,可實(shí)現(xiàn)更短的設(shè)計(jì)時(shí)間、更低的成本,降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn),并提供更大的靈活性。

航空航天一直是最先進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域。即便是在一系列用于執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的衛(wèi)星上所使用的簡單連接器,也完全無法承受可靠性出現(xiàn)任何問題。隨著太空中需要管理的數(shù)據(jù)量日益增加,F(xiàn)PGA在太空中的應(yīng)用也越來越多。現(xiàn)代抗輻射FPGA可確保可靠工作以及任務(wù)成功。

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