如何應對艱巨的耐輻射電源電子系統(tǒng)設計

太空中的電子系統(tǒng)暴露在大量危險之中。除此之外，如果沒有地球保護磁場使粒子偏轉(zhuǎn)，沒有地球大氣層吸收太陽及宇宙射線，系統(tǒng)將暴露在更大強度的波輻射及粒子輻射中。半導體器件特別容易受到粒子輻射的影響，這可能會導致組件或系統(tǒng)故障。

但即使是無源組件可能也會出現(xiàn)放氣等問題。此外，散熱也更具挑戰(zhàn)性，因為對流散熱在太空中不管用，所以設計人員只能通過將熱量傳導至表面后輻射散掉。

本文將探討這些問題，具體涉及航天電源系統(tǒng)的設計。這里的重點甚至可進一步聚焦到那些“新太空”應用，它們需要“耐輻射”組件及電路，而非更穩(wěn)健的“防輻射”器件與電路。耐輻射要求降低了組件或電路承受反射宇宙輻射的能力，例如，組件總電離劑量 (TID) 以更低額定值為單位。然而，作為輻射穩(wěn)健性程度降低的交換，組件成本也有望降低。

雖然半導體器件的選擇是開發(fā)耐輻射電源系統(tǒng)的關鍵，但它只是可部署在組件和電路層面的眾多設計策略中的一個。本文將討論軟開關在耐輻射電源系統(tǒng)中的基本戰(zhàn)略及多種優(yōu)勢。

粒子輻射及其它危害的影響

就我們的目的而言，波輻射包括射線和電磁波。關于波輻射的直覺是由人類感官所能探知到的事物引導的，即用我們的眼睛所感受到的可見光、我們感覺有熱度的紅外光，以及在紫外線灼傷我們的皮膚時我們所感受到的紫外線。

一般來說，波輻射的屬性與光的屬性相似，包括反射、吸收、折射和傳播。然而，宇宙（波）輻射的波長可延伸到可見光光譜的上方和下方。能見度以下的輻射包括微波和射頻。能見度以上的輻射包括紫外線、X 射線和伽馬射線。在圖 1 中，請注意波長和相關能量，這是測量輻射暴露的關鍵參數(shù)。

波輻射和粒子輻射并不是完全分開的兩件事，但它們對電子系統(tǒng)的影響是不同的。單個粒子的質(zhì)量很小，但可加速到很高的速度。此外，它們還可以攜帶電荷，當負電荷電子從原子軌道剝離時，通常為正電荷。

通過粒子輻射，我們可以看到物理損壞，特別是對半導體晶體晶格的損壞，這種損壞是永久和/或累積性的。在電子被拖入損耗區(qū)，使非導電區(qū)導電的地方，會出現(xiàn)暫時性的破壞。正離子取代晶體基質(zhì)中的摻雜原子時，也會出現(xiàn)永久性損壞，有時會使半導體在錯誤的時間或地方導電，這也會通過電路故障造成永久性損壞。

太空危險重重。大部分輻射損壞都是日積月累的，所以任務時間長短是一個因素。當電子設備離開地球體系時，輻射強度會提升，所以軌道或深空暴露也是影響因素。

太空真空中的另一個影響因素是，我們用于在地面散熱的有效對流不起作用。傳導的作用是傳播熱能，但多余的熱量最終必須輻射到寒冷的太空中。一個復雜的因素是，暴露在陽光下的表面，溫度會變得非常高，大約為 250?F (120?C)，而陰影覆蓋的表面則非常冷，大約為 -238?F (-150?C)。衛(wèi)星系統(tǒng)的散熱設計很復雜。

圖 1：輻射光譜（插圖由哈佛大學提供）[1]。

構建堅固耐輻射電源電子器件的策略

即使在當前快節(jié)奏的新太空商業(yè)環(huán)境中，發(fā)射更換報廢衛(wèi)星的成本也非常高昂，因此謹慎設計尤為重要。我們真的希望獲得我們力所能及的最高可靠性。

怎么實現(xiàn)？

答案不止一個，創(chuàng)建堅固的航空電子系統(tǒng)的解決方案是多方面的。

根據(jù)耐輻射性選擇組件。一些業(yè)界一流的半導體工藝節(jié)點提高了耐輻射性。雙極性半導體可根據(jù)其位移損壞等級進行選擇?？梢赃x擇本來就耐輻射的寬帶隙 (GaN) FET。有些部件根本不適合在太空環(huán)境中使用，如某些環(huán)氧樹脂和鋁電解質(zhì)容器，它們會在真空中釋放氣體。

為了說明批次之間的差異，可以對一個批次進行抽樣測試，看看其輻射性能。如果通過測試，本次生產(chǎn)的器件即可放心使用。

物理冗余?？蓤?zhí)行多個系統(tǒng)實例。一個發(fā)生故障，可以設計讓另一個系統(tǒng)來接管。在一些系統(tǒng)中，有三個系統(tǒng)并行運行。如果其中一個與另外兩個不一致，其輸出即可忽略。有時提供有四個冗余系統(tǒng)，如果一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可換用一個備用系統(tǒng)。

功率 MOSFET 可降額，因此可以考慮不可避免的 VGS 閾值降級，該器件在工作年限之后仍能正常工作。

屏蔽可用于保護敏感電子器件，但如果粒子能量足夠高，屏蔽的級聯(lián)粒子會使問題增加。

如果故障可恢復，可以添加電路來監(jiān)控性能，斷開并重啟出問題的系統(tǒng)。

無論設計策略和電源拓撲如何，航天電子系統(tǒng)都必須進行環(huán)境及輻射性能分析、仿真和測試。

耐輻射設計要求限制了組件的選擇。監(jiān)控器、安全保護機制、電源斷開及復位電路的性能的增加不能導致最終解決方案的效率、尺寸和重量超出要求。

拓撲選擇和開關模式的影響

通過選擇合適的電源系統(tǒng)架構來平衡設計折中很重要。拓撲和開關模式，如軟開關（相對于硬開關電源轉(zhuǎn)換器），可以使系統(tǒng)對振蕩等寄生效應不那么敏感，振蕩會增加開關組件上的電壓應力。

拓撲選擇是新太空設計中的重要實例，開關模式會影響電源轉(zhuǎn)換執(zhí)行的所有重要規(guī)范，其中包括功率密度、效率、瞬態(tài)響應、輸出紋波、電磁干擾 (EMI) 發(fā)射與成本等。

主要開關損耗項可歸因為供電鏈高端 MOSFET 通過柵極充電要求及漏 - 源電容的導通行為。開關損耗隨開關頻率的增加而增加，從而可限制開關頻率。體內(nèi)二極管導通損耗將進一步降低硬開關轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率。雖然 GaN FET 沒有物理體內(nèi)二極管，但確實有幾伏特的反向傳導模式鉗位，因此很難管理 GaN 死區(qū)傳導期。

在同步硬開關降壓拓撲中，高側(cè) MOSFET 在其電壓最大（見圖 2a）并在接通部分工作周期過程中傳導最大電流時接通。因此，高側(cè)開關的功耗在開關切換過程中達到最大值。輸入電壓越大，功耗越高，因此在相同的轉(zhuǎn)換器中，高電壓比應用的轉(zhuǎn)換器（例如，28V 至 3.3V）的效率往往比在要求較低轉(zhuǎn)換比（例如，5V 至 2.5V）的電路中的低。

圖 2：輻射光譜（插圖由哈佛大學提供）[2]。

軟開關的優(yōu)勢

替代方案（軟開關）將大幅降低這些開關損耗。軟開關技術需要的控制電路更復雜，因為開關時序必須與開關波形協(xié)調(diào)。

軟開關的一個實例是零電壓開關 (ZVS) 技術，可提高一系列電源拓撲間的轉(zhuǎn)換效率。顧名思義，當開關的電壓為零或接近零時，ZVS 會高側(cè) MOSFET上實現(xiàn)（見圖 2b）。這在高側(cè) MOSFET 導通間隔期間打破了功耗與電壓轉(zhuǎn)換比之間的聯(lián)系。

支持 ZVS 技術的鉗位開關的工作允許轉(zhuǎn)換器在高低側(cè)開關都關閉時，在輸出電感器中存儲少量能量。轉(zhuǎn)換器可使用這種在其它方面浪費的能量為高側(cè) MOSFET 的寄生電容放電，并為同步 MOSFET 的寄生電容充電。

將 MOSFET 的寄生電容從開關的導通行為中去除，可降低 MOS FET 針對 CGD 進行選擇的敏感性，因此，設計人員可將工作重心從導通電阻與柵極電容等傳統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)轉(zhuǎn)向?qū)娮琛?/p>

這種在接通過程中驅(qū)動高側(cè) MOS FET 的方法可避免刺激開關寄生電感和電容，這些電感和電容易產(chǎn)生諧振，在硬開關拓撲中誘導大型電壓尖峰和振蕩（見圖 3a）。通過消除尖峰并防止振蕩（見圖 3b），ZVS 不僅可消除功耗項，而且還可消除 EMI 發(fā)射源。

此外，從開關行為中消除電壓尖峰可讓設計人員選擇 RDSON 較低的較低電壓 MOSFET，從而提高效率。

圖 3：硬開關與軟開關波形（插圖由《電子設計》提供）[2]。

軟開關的功能非常廣泛。例如，Vicor 在其耐輻射電源模塊解決方案中使用軟開關技術，為專門用于 MEO 和 LEO 衛(wèi)星應用的高性能通信 ASIC 供電（見圖 4）。系統(tǒng)模塊使用 ZVS 升降壓拓撲為 BCM 和 VTM 的 PRM 與 ZVS 及 ZCS 正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 提供支持。

VTM 尺寸小，可以盡可能靠近 ASIC 布置。在應對現(xiàn)代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 消耗的大電流時，優(yōu)化配電網(wǎng)絡 (PDN) 至關重要。Vicor 模塊將軟開關解決方案、耐輻射有源組件和符合汽車標準的無源組件進行了完美結(jié)合。

為緩解單事件功能中斷 (SEFI) 問題，所有耐輻射模塊都包括并聯(lián)運行的完全冗余供電鏈。如果一個供電鏈因單個事件而出現(xiàn)故障，其保護電路將強制斷電復位。在復位間隔期間，冗余供電鏈將承擔全部負載，而且復位后，兩個供電鏈將再次并聯(lián)運行。

圖 4：高功率諧振（ZVS 和 ZCS）拓撲模塊。

在眾多因素中，拓撲和開關模式的選擇是設計新太空電源轉(zhuǎn)換器時的重要因素。

但本質(zhì)內(nèi)容是：耐輻射電子系統(tǒng)很難設計。

Salah Ben Doua

Vicor 首席應用工程師

Salah Ben Doua，首席應用工程師，在電源設計領域擁有 30 年的豐富經(jīng)驗，為 Vicor 客戶提供支持已有 20 余載，主要為包括航空航天與國防、工業(yè)、鐵路、照明與通信在內(nèi)的眾多領域的 DC-DC 和 AC-DC 電源系統(tǒng)開發(fā)提供專業(yè)技術及咨詢。Salah 畢業(yè)于圖盧茲國家理工學院 (the National Polytechnic Institute of Toulouse)，獲電源轉(zhuǎn)換專業(yè)博士學位。

Ken Coffman

高級現(xiàn)場應用工程師

Ken Coffman，高級現(xiàn)場應用工程師，被指派到 Vicor 新太空計劃工作。他住在亞利桑那州鳳凰城。

本文最初由How to power發(fā)表

以上為中譯

審核編輯：湯梓紅