【導(dǎo)讀】自1971年至1986年期間, 國(guó)外發(fā)射的39顆同步衛(wèi)星因各種原因造成的故障共計(jì)1 589 次, 其中與空間輻射有關(guān)的故障有1 129次, 占故障總數(shù)的71%, 由此可見衛(wèi)星和航天器的故障主要來(lái)源于空間輻射。
1 抗輻照分析
空間輻照環(huán)境中的帶電粒子會(huì)導(dǎo)致星載電子設(shè)備工作異常和器件的失效, 嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命。星載電子設(shè)備在工作期間所遇到的輻照問題主要是受到空間高能粒子(重離子和質(zhì)子)的影響。
1.1 總劑量效應(yīng)
總劑量效應(yīng)指在電子器件的特性(電流、電壓門限值、轉(zhuǎn)換時(shí)間)發(fā)生重大變化前, 器件所能承受的總吸收能量級(jí), 超過(guò)這個(gè)能量級(jí)后器件就不能正常工作(出現(xiàn)永久故障)。該劑量用Rad(Si)即存積在1 gSi中的能量來(lái)度量。典型軌道預(yù)計(jì)輻射量見表1。總劑量效應(yīng)會(huì)引起星上電子器件的物理效應(yīng)和電器效應(yīng)如產(chǎn)生電子空穴對(duì)、影響載流子的流動(dòng)、對(duì)雙極型器件會(huì)降低其增益, 對(duì)CMOS器件會(huì)使其閾值電壓漂移、降低轉(zhuǎn)換速率等[ 1] 。
另外在對(duì)某星載雷達(dá)所用CMOS器件進(jìn)行總劑量實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn), 總劑量效應(yīng)在器件斷電后會(huì)有一定的退火現(xiàn)象, 但如果再加大輻射劑量, 退火后的器件很快就不能工作。
表1 幾種典型軌道預(yù)計(jì)輻射劑量
所以對(duì)長(zhǎng)壽命、高可靠的星載電子設(shè)備, 必須考慮元器件的在軌期間的總劑量問題。對(duì)于總劑量效應(yīng)的防護(hù)可采用如下2種方法。
(1)選擇半導(dǎo)體工藝:選擇對(duì)宇宙射線不敏感的材料, CMOS藍(lán)寶石硅片(SOS)工藝是目前最合適的工藝, 但其成本高于其工藝。
(2)輻射屏蔽:衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)框架以及電子設(shè)備的外殼的屏蔽作用可減輕輻射的影響, 一般可減少2 krad～ 3 krad。表2是屏蔽外殼等效鋁厚度與累積劑量。因?yàn)槠帘尾牧媳旧碛? 次輻射, 所以它并不能有效地防護(hù)高能粒子(宇宙射線)產(chǎn)生的影響。
表2 等效鋁厚度與累積劑量
1.2 單粒子效應(yīng)
空間輻照環(huán)境使星載電子器件產(chǎn)生單粒子現(xiàn)象(SEP)。隨著電子器件集成度不斷提高, 器件尺寸不斷減小, 星載電子設(shè)備也變得更加復(fù)雜, 電子系統(tǒng)更易受到瞬態(tài)干擾, 因此在星載電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮輻射總劑量的影響同時(shí)也要研究高能粒子引起的單粒子現(xiàn)象。由分析可知單粒子(包括重離子、α粒子和中子等)引起的故障主要有瞬間故障、軟故障和永久損壞這3種。
瞬態(tài)故障是輻照對(duì)內(nèi)部電子線路短時(shí)間的干擾,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可自行恢復(fù), 除故障瞬間一般不會(huì)造成電路的輸出錯(cuò)誤。典型的瞬態(tài)故障是單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)效應(yīng), SEU是由高能單粒子離子化引起的。當(dāng)輻射離子通過(guò)器件時(shí)損失的能量通過(guò)線性傳遞給器件材料形成空穴-電子對(duì), 進(jìn)而改變電路中某一節(jié)點(diǎn)的電平造成了雙穩(wěn)態(tài)器件狀態(tài)的暫時(shí)改變。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示SEU的瞬態(tài)故障率大約為永久故障率的1 000倍[ 2] , 為降低這一風(fēng)險(xiǎn)通常采取以下2種措施：
(1)對(duì)電子器件進(jìn)行加固防護(hù)或選用對(duì)電離離子不敏感的器件。從實(shí)驗(yàn)可知單個(gè)器件對(duì)SEU的敏感性變化很大,最耐受SEU的工藝依次為CMOS/SOS、體硅CMOS、NMOS/I2L、TTL[ 3] 。
(2)采用可以允許SEU瞬態(tài)故障的方法設(shè)計(jì)硬件和軟件, 即設(shè)計(jì)具有容錯(cuò)性的系統(tǒng)。
SEU屬于軟故障, 沒有對(duì)設(shè)備器件造成實(shí)質(zhì)性的損壞, 但單粒子閂鎖(SEL)很可能對(duì)器件造成不能立即修復(fù)的實(shí)質(zhì)性損壞, 即永久損壞。所以在電路設(shè)計(jì)中必須重視SEL的分析與防護(hù)。單粒子閂鎖主要發(fā)生在CMOS器件中, CMOS器件的主要優(yōu)點(diǎn)是功耗電流小, 正好適應(yīng)航天器件的要求, 因此CMOS器件大量應(yīng)用于星載電子設(shè)備中。所謂閂鎖就是指CMOS器件中固有的可控硅結(jié)構(gòu)被觸發(fā)導(dǎo)通, 在電源和地之間形成低電阻大電流的現(xiàn)象[ 4] 。如圖1所示, 以可編程門陣列(FPGA)的主要微電子器件CMOS反相器為例, 正常工作時(shí)2個(gè)寄生三極管均處于零偏, 即截止?fàn)顟B(tài), 對(duì)CMOS工作無(wú)影響。但在輻照環(huán)境下高能粒子作用于電源VDD端, 形成觸發(fā)電流, 若在寄生電阻RS上產(chǎn)生的壓降達(dá)到了VT1管的正向?qū)▔航祫tVT1 導(dǎo)通, 而集電極電流IC1則通過(guò)串聯(lián)電阻RW 流入VSS, 如果在RW 上產(chǎn)生的壓降也達(dá)到了VT2 的導(dǎo)通電壓, VT2 也會(huì)導(dǎo)通, 同時(shí)由于VT2的導(dǎo)通又加大了流過(guò)RS的電流導(dǎo)致VT1 管基極電位下降, 使得VT2 集電極電流進(jìn)一步增加, 從而形成了正反饋回路即發(fā)生了閂鎖, 如圖2所示。
圖1 CMOS反相器寄生PNPN結(jié)構(gòu)
圖2 寄生雙極晶體管等效電路
閂鎖一旦發(fā)生, 維持閂鎖只需要很低的電壓, 斷開輸入信號(hào)也不能恢復(fù)正常狀態(tài), 從閂鎖的形成機(jī)理來(lái)看, 防止或避免閂鎖造成的損壞主要有以下措施[ 5] :
(1)使用帶有保護(hù)措施的電源模塊。例如Interpoint公司生產(chǎn)的電源轉(zhuǎn)換模塊MSA2805S可把28 V的電壓值轉(zhuǎn)換成電路使用的5 V電壓值, 該芯片在瞬時(shí)大電流的情況下能在短時(shí)間內(nèi)停止電壓轉(zhuǎn)換, 停止對(duì)設(shè)備供電, 過(guò)后可自行恢復(fù)。
(2)使用限流保護(hù)芯片。MIC5201 是航天設(shè)備中經(jīng)常使用的限流保護(hù)組件, 在出現(xiàn)正回饋時(shí)該芯片把電流限定在一定范圍之內(nèi), 可以防止瞬時(shí)大電流造成的破壞。
(3)熔絲電阻的使用。不同于一般的熔絲, 當(dāng)出現(xiàn)大電流時(shí)熔絲電阻2端的電阻變的無(wú)窮大即相當(dāng)于開路, 當(dāng)電路恢復(fù)正常時(shí)熔絲電阻兩端電阻又恢復(fù)成原先的阻值。
總之使用CMOS電路時(shí)防閂鎖的基本方法是確保輸入或輸出電平不會(huì)降到比VDD還低, 或升到比VSS還高。在發(fā)生閂鎖的情況下最可靠的方法是立即停止對(duì)設(shè)備供電。
1.3 靜電累積-放電效應(yīng)
空間輻射環(huán)境使航天器充電到高電位, 并導(dǎo)致航天器發(fā)生故障。靜電放電(ESD)是2個(gè)具有不同電位(由靜電引起)物體之間的電流流動(dòng)。ESD會(huì)引起半導(dǎo)體器件的損傷, 使器件立即失效的幾率約10%(短路、開路、無(wú)功能、參數(shù)發(fā)生變化), 而90%的器件則會(huì)引入潛在損傷, 損傷后電參數(shù)仍符合規(guī)定要求但減弱了器件的抗過(guò)電應(yīng)力能力, 影響了器件的可靠性。通常ESD可引起2種失效模式:
(1)突發(fā)性完全失效;
(2)潛在性失效。
突發(fā)性完全失效是一個(gè)或多個(gè)電參數(shù)突然劣化完全失去規(guī)定功能的一種失效。對(duì)結(jié)型器件損傷往往導(dǎo)致PN結(jié)嚴(yán)重漏電和電流增益顯著下降;對(duì)CMOS電路由于存在寄生的可控硅效應(yīng), 靜電放電可能觸發(fā)閂鎖, 若供電回路無(wú)限流電阻存在, 器件易被過(guò)大電流燒毀。如果靜電能量較低或ESD回路中有限流電阻存在, 一次ESD脈沖不足以引起器件發(fā)射突發(fā)性失效, 但是會(huì)在器件內(nèi)部造成輕微的損傷,這種損傷是積累的, 隨著ESD脈沖數(shù)的增加器件的損傷閾值電壓會(huì)逐漸下降, 器件的電參數(shù)逐步劣化。這類失效稱為潛在性失效, 它降低了器件的抗靜電能力,降低了器件的可靠性。
一個(gè)良好的電子系統(tǒng)設(shè)備, 應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的最初階段就考慮瞬態(tài)保護(hù)問題。從電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)角度來(lái)講靜電防護(hù)方法主要有以下5種。
(1)屏蔽機(jī)箱。利用金屬機(jī)箱和屏蔽罩可以限制放電電流在機(jī)箱的外表面, 阻止靜電放電電弧以及相應(yīng)的電磁場(chǎng), 并且保護(hù)設(shè)備免受間接放電的影響, 目的是將全部靜電阻隔在機(jī)箱之外。
(2)搭接。搭接的目的在于為靜電放電電流提供一個(gè)均勻的結(jié)構(gòu)面和低阻抗通路以避免在相互連接的2金屬件之間形成電位差。對(duì)于金屬機(jī)箱, 若機(jī)箱2部分之間的搭接阻抗較高, 靜電放電電流就會(huì)在搭接點(diǎn)形成較高的壓降, 如果搭接電阻為0.1 Ψ, 放電電流為30 A時(shí), 則會(huì)產(chǎn)生3 V的電壓。如果電路利用這個(gè)機(jī)箱作為公共地, 則意味著不同電路的參考電位相差3V, 影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
(3)信號(hào)地機(jī)箱單點(diǎn)連接。如果電路與機(jī)箱連在一起, 就只應(yīng)通過(guò)一點(diǎn)連接, 可防止放電電流流過(guò)電路。否則機(jī)箱上的電流會(huì)流進(jìn)電路, 造成干擾。信號(hào)地與機(jī)箱連接起來(lái)的另一個(gè)目的是當(dāng)機(jī)箱上發(fā)生靜電放電時(shí), 機(jī)箱的電位升高, 由于線路板與機(jī)箱連接在一起, 保證電路板的電位也同時(shí)升高, 從而防止了線路板與機(jī)箱之間的二次放電。
(4)電纜設(shè)計(jì)。良好的電纜保護(hù)設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)抗ESD干擾的能力, 為減小輻射EMI耦合到電纜,應(yīng)盡量縮短線長(zhǎng)且盡量采用屏蔽電纜。若2個(gè)機(jī)箱需要電纜互聯(lián)時(shí), 電纜的屏蔽層要和2個(gè)機(jī)箱相連, 這樣可以使兩個(gè)機(jī)箱等電位, 防止產(chǎn)生電位差。
(5)PCB設(shè)計(jì)。印制電路板對(duì)靜電放電電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)非常敏感, 所以印制電路板上所有回路的面積都應(yīng)盡可能小, 可以通過(guò)使用多層板及地線網(wǎng)格減小回路面積。其次電路板上的布線也是抗瞬態(tài)沖擊的重要方面。走線上的寄生電感對(duì)于瞬態(tài)沖擊會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰, 量級(jí)可能會(huì)超過(guò)芯片引腳的極限值。因此, 設(shè)計(jì)時(shí), 須努力減小被保護(hù)信號(hào)線及信號(hào)回路上的寄生電感。布線時(shí)盡量縮短引線長(zhǎng)度、加大線寬等。
關(guān)于靜電放電對(duì)于CMOS電路的危害, 由于主要是引起閂鎖效應(yīng), 所以其電路的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)可參考上文中關(guān)于閂鎖的防護(hù)措施。
2 航天電子器件的選用
按照國(guó)際通用的分類方法, 電子元器件等級(jí)一般可分為宇航級(jí)或883B級(jí)、軍級(jí)、工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)[ 6] 。空間電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)元器件的選用有2種途徑:
(1)采用抗輻射加固器件。優(yōu)先選擇有抗輻射加固、可靠性高、抗輻射能力強(qiáng)的宇航級(jí)器件或采用抗輻射加固后的883B級(jí)器件。目前國(guó)外FPGA廠商已經(jīng)可以生產(chǎn)大容量的抗輻照FPGA。如Xilinx公司的QPro-R航天抗輻照系列FPGA, 最大容量達(dá)600萬(wàn)門;
Actel公司的RTAX4000 系列航天抗輻照FPGA最大容量達(dá)400萬(wàn)門。這些大容量抗輻照FPGA的推出推動(dòng)了星載電子設(shè)備小型化的發(fā)展。
(2)采用商用器件。在沒有可供選擇的宇航級(jí)或883B級(jí)器件情況下, 或?yàn)榱藵M足系統(tǒng)的高性能要求, 可以有控制地使用商用器件。
對(duì)商業(yè)級(jí)器件一般可做如下加固處理:
(1)利用衛(wèi)星蒙皮、設(shè)備機(jī)箱、加局部屏蔽的方法提高器件的抗輻射水平。
(2)在設(shè)計(jì)時(shí)采用多機(jī)容錯(cuò)、電路冗余設(shè)計(jì)、冷熱備份來(lái)提高整機(jī)抗輻射水平。
(3)多機(jī)容錯(cuò)、電路冗余設(shè)計(jì)、輪換工作、冷熱備份等提高整機(jī)抗輻射水平。
(4)商用器件必須經(jīng)過(guò)篩選測(cè)試:采取特定的針對(duì)商用器件的篩選測(cè)試, 剔除具有早期失效危險(xiǎn)和固有缺陷的器件, 提高器件的可靠性。
高性能商用器件的空間應(yīng)用在國(guó)際上已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì), 近些年來(lái), 國(guó)內(nèi)也逐步開始了商用器件空間應(yīng)用的探索。中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心近年來(lái)在載人航天工程和雙星計(jì)劃等航天任務(wù)中曾采用了幾種商用器件, 并取得了在軌飛行的成功經(jīng)驗(yàn)。
2003年12月31日和2004年7月25日發(fā)射的雙星探測(cè)一號(hào)衛(wèi)星和探測(cè)二號(hào)衛(wèi)星中, 有效載荷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)載荷配電器采用了商用塑封器件高端電流檢測(cè)芯MAX471EPA, 均獲得在軌運(yùn)行的圓滿成功。
3 結(jié)束語(yǔ)
抗輻照分析對(duì)于星載電子設(shè)備的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,必須根據(jù)設(shè)備所處的具體空間輻射環(huán)境, 提出系統(tǒng)總體抗輻射加固要求, 并分配給單機(jī)、器件, 進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)加固設(shè)計(jì);然后進(jìn)行單機(jī)抗輻射設(shè)計(jì), 并根據(jù)抗輻射設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)具有抗輻射性能的電路;最后按照需要選擇元器件?？臻g輻照環(huán)境是變化、復(fù)雜的, 需進(jìn)一步掌握空間環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的影響, 使其適應(yīng)空間環(huán)境, 長(zhǎng)期、可靠的工作。
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