如何才能為太空任務(wù)打造高性能的電子設(shè)備

未來(lái)在外太空探測(cè)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(duì)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(chǔ)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(lái)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(lái)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(lái)指定，例如rad（Si）或rad（GaAs）。

TID是由于太陽(yáng)活動(dòng)而長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)法使用。這些損害在實(shí)驗(yàn)室中是可以預(yù)測(cè)的，我們可以通過(guò)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(cè)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^(guò)器件之后，在敏感區(qū)域積累了電荷。根據(jù)庫(kù)侖定律，半導(dǎo)體器件中若有粒子通過(guò)，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(duì)。

根據(jù)不同的因素，粒子可能導(dǎo)致無(wú)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(duì)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(yáng)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(lái)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(duì)其進(jìn)行測(cè)試（圖2）。

圖2：抗輻射器件示例。（圖片來(lái)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(chǔ)罐（圖3）。

衛(wèi)星中使用太陽(yáng)能傳感器來(lái)識(shí)別太陽(yáng)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?。其服?wù)平臺(tái)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(cè)量單元（IMU），以及用于處理信號(hào)和監(jiān)測(cè)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(duì)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(hào)發(fā)生器和放大器。

圖3：衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖。（圖片來(lái)源：NASA）

控制系統(tǒng)

在航空航天和國(guó)防市場(chǎng)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(wèn)題。電力電子領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)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(duì)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(guò)比例積分微分（PID）算法來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)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(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的誤差行為解決這一問(wèn)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(cè)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(lái)源：ADI）

更多數(shù)據(jù)

人造衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商對(duì)數(shù)據(jù)的渴望永無(wú)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(guò)多的信息產(chǎn)生，使得對(duì)衛(wèi)星本身完成信號(hào)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(guó)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(kāi)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(guò)6GSps。

執(zhí)行遙感任務(wù)的衛(wèi)星在信號(hào)處理上面臨重大瓶頸。針對(duì)太空應(yīng)用進(jìn)行封裝和測(cè)試的最大FPGA，歷來(lái)是采用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(chǔ)器?；陂W存的FPGA提供了解決此問(wèn)題的新方法——它同時(shí)使用了針對(duì)信號(hào)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(duì)信號(hào)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(jiǎn)單連接器，也完全無(wú)法承受可靠性出現(xiàn)任何問(wèn)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(lái)越多?，F(xiàn)代抗輻射FPGA可確?？煽抗ぷ饕约叭蝿?wù)成功。