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太空挑战:如何应对辐射对电子元件的影响

航天航空卫星产业 防辐射 辐射强度
发布:2020-11-05 10:18:09    

航天最大的挑战之一是如何应对辐射对电子元件的影响。防辐射(rad-hard)IC用于太空应用,以确保这些恶劣环境中系统的可靠性能。对于芯片制造商来说,这意味着需要特别注意这些IC的设计,布局,制造工艺和测试。更高的集成度,更小的尺寸和更高的电源效率的需求也为抗辐射集成电路的开发带来了新的挑战。

测试这些关键任务组件的最新太空计划是“火星2020”恒心漫游车。瑞萨电子公司市场应用总监乔什·布罗琳说:“深空对于航天飞机和火星探测器系统是一个充满挑战的环境,特别是由于几乎所有任务配置文件都遇到了强烈的辐射环境。对于产品开发而言,最大的挑战是不一定是IC的一般性能,而是在辐射环境中满足该性能。”

英飞凌科技公司IR HiRel的高级副总裁兼总经理埃里克·图卢兹(Eric Toulouse)说,高轨道和深空以及预期的任务寿命都需要最高水平的辐射硬度。

他补充说,太空应用需要在最苛刻的环境中运行的高可靠性电力电子设备,并且它们必须承受恶劣的热,机械和辐射条件。

图卢兹说,提供具有最高防辐射强度的防弹部件的唯一方法是优化工艺的每个步骤,从晶圆配方本身开始。“这不仅是要确保使用最佳工艺,而且还要确保每次制造这些零件时都达到最佳效果,因此,围绕名义规格的偏差几乎没有公差。 ”

 

他说,测试也很广泛,其中包括给设备施加极端温度,并使其在完全工作模式下运行很长一段时间。“完成后,我们认为这批产品已经足够好,因为它符合那些严格的标准,我们会回去再做一次。”

IR HiRel和瑞萨都向NASA的漫游者计划提供组件。两家公司的抗辐射集成电路都搭载在恒心漫游车上,该飞行器于2020年7月30日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射。美国宇航局计划进行飞行测试。预计该火星车将于2021年2月到达着陆点。

整合,规模和效率

对更高效率,更小尺寸和更高集成度的需求通常会转化为深空应用中的其他挑战。

Broline说:“由于我们一直在通过推进IC特性集,集成度,尺寸和功率效率等项目来推动创新,因此就辐射环境中的最佳性能和功能提出了新的挑战。

他继续说,对于最佳实践来说,甚至包括选择关键工艺技术,应用经过验证的布局和设计技术以及诸如集成电路的老化和总剂量测试之类的制造步骤,情况都是如此。“这是利用新的工艺技术尺寸/节点,较低或较高电压的工艺级设备以及新的电路拓扑来推动创新的结合。

他补充说:“对于给定的产品开发,最大的挑战不一定是IC的总体性能,而是要在辐射环境中满足该性能。”

图卢兹表示,对于太空应用而言,挑战更加严峻。“请记住,在太空中发射探测器或卫星的部分成本与设备的重量有关,每磅或每公斤的成本实际上非常高。您正在谈论成千上万美元,具体取决于要尝试发射的轨道,因此减轻重量存在很大压力。减小尺寸也是一件好事。通常,人们尝试解决这些重量和尺寸问题的方式与提高能源效率有关,特别是在电力系统中。”

因此,要求更高效率和更小尺寸非常重要,因为节省空间和重量可以用于更多传感器以实现更大的功能,例如,如果您谈论的是商业卫星,它可以改善收益流,图卢兹说。

但是您不能将效率讨论仅限于功率半导体组件。他说,还有更多的东西。

“我们通常将重点放在大型转换器(几百瓦)上,进行预算分析时发现,损耗当然是在功率开关,硅或氮化镓[GaN]中产生的,但是您也会在其他地方遭受损失。”他继续说道。“基材有损耗;由于某些无源元件的电阻率不为零,因此存在损耗。如果您使用的是隔离类型的架构,则磁芯会产生损耗。归根结底,我们需要找到一种优化整个系统的方法。”

图卢兹说,要讨论效率,它涉及该功率转换器中的所有子组件。“我们正在尝试从整体系统效率的角度,而不仅仅是组件的功能。”

图卢兹说,IR HiRel提供垂直集成,使他们能够构建“整个应用程序”。除了开发组件和IC之外,该公司还设计了所谓的“混合动力”产品,它们引入了更多的无源元件以及完整的PCB电源系统。该公司提供标准,半定制和定制设计支持。

他说:“我们从这种发展中学到了很多东西。” “最佳的权衡是什么,以及可以与我们的半导体结合使用的最佳组件是什么。因此,对于整个解决方案,从效率的角度来看,您最终将获得最佳性能,同时又要保持可靠性。”

尽管图卢兹承认有充分的理由在GaN和碳化硅(SiC)技术周围“大肆宣传” ,但硅基抗辐射MOSFET仍在进行大量创新,这也使低风险成为可能升级。他嘲笑IR HiRel将于11月下旬发布一种新的抗辐射MOSFET,“它使整体系统效率实现了令人难以置信的提高,以至于它提高了其他技术的效率水平。”

漫游车上

这是该公司第五次向火星探测车提供电力电子产品,这标志着IR HiRel已在多个火星探测子系统中提供了数千种关键任务抗辐射组件,包括航天级MOSFET,IC和其他功率控制产品。其中包括飞行计算机,电机控制,雷达,机械臂和任务仪器套件。

它们可以在各种科学仪器中找到,包括Mastcam-Z(桅杆安装式高清摄像机,具有全景,立体和缩放功能);SuperCam(相机,激光和光谱仪);X射线岩石化学行星仪器(PIXL);使用拉曼光谱和发光扫描可居住的环境中的有机物和化学物质(SHERLOC),也称为紫外光谱仪;以及制氧仪器“火星氧气现场资源利用实验”(MOXIE)。

瑞萨的Intersil抗辐射集成电路已部署在Perseverance漫游车及其7台仪器中。其中包括电压调节器和基准电压源,同步降压和LDO调节器,PWM控制器,MOSFET驱动器,16通道多路复用器,SPST开关,RS-422线路发送器和接收器以及微处理器监控电路。这些IC支持以下子系统:电源管理和分配,惯性测量单元,精确数据处理和处理,导航和飞行进入,下降和着陆控制等关键任务应用。

Ingenuity Mars直升机上还配备了5个瑞萨电子Intersil品牌的IC ,这些IC是与Perseverance漫游车一起推出的,包括两个RS-422接口产品,电压基准,线性稳压器和监控器IC。

该自动驾驶飞机是4磅(2公斤)的直升机,由特殊设计的组件和现成的零件组合而成。它在恒心漫游者的腹部行驶,由漫游者的电源充电。但是一旦部署在火星上,直升机的太阳能电池板将为电池供电。

独创性是一项技术演示,是首架尝试在另一个星球上进行受控飞行的飞机。火星的飞行挑战范围从稀薄的大气层到难以达到足够的升力,再到至–130°F(–90°C)的极端寒冷。极端温度还将挑战直升机上许多零件(包括太阳能电池,电池和其他组件)的可靠性。

当火星车降落在火星表面时,美国国家航空航天局将释放直升机,并在距地面980英尺和10至15英尺的距离内进行测试,最长不超过90秒。如果成功,这些测试将帮助工程师为下一代火星任务建造下一代直升机。

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