你的位置:首頁 > EMC安規(guī) > 正文

如何應(yīng)對艱巨的耐輻射電源電子系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)布時間:2023-07-21 來源:Vicor 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(hù)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(qiáng)度的波輻射及粒子輻射中。半導(dǎo)體器件特別容易受到粒子輻射的影響,這可能會導(dǎo)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(shè)計人員只能通過將熱量傳導(dǎo)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(shè)計。這里的重點甚至可進(jìn)一步聚焦到那些“新太空”應(yīng)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(dǎo)體器件的選擇是開發(fā)耐輻射電源系統(tǒng)的關(guān)鍵,但它只是可部署在組件和電路層面的眾多設(shè)計策略中的一個。本文將討論軟開關(guān)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(guān)于波輻射的直覺是由人類感官所能探知到的事物引導(dǎo)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(guān)能量,這是測量輻射暴露的關(guān)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(dāng)負(fù)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(dǎo)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(dǎo)電區(qū)導(dǎo)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(dǎo)體在錯誤的時間或地方導(dǎo)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(wù)時間長短是一個因素。當(dāng)電子設(shè)備離開地球體系時,輻射強(qiáng)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(dǎo)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(fù)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(shè)計很復(fù)雜。


1686910380832894.jpg

圖 1:輻射光譜(插圖由哈佛大學(xué)提供)[1]。


構(gòu)建堅固耐輻射電源電子器件的策略


即使在當(dāng)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(jǐn)慎設(shè)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(dǎo)體工藝節(jié)點提高了耐輻射性。雙極性半導(dǎo)體可根據(jù)其位移損壞等級進(jìn)行選擇。可以選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(jìn)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。可執(zhí)行多個系統(tǒng)實例。一個發(fā)生故障,可以設(shè)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(yùn)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(hù)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(fù),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(shè)計策略和電源拓?fù)淙绾?,航天電子系統(tǒng)都必須進(jìn)行環(huán)境及輻射性能分析、仿真和測試。


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


拓?fù)溥x擇和開關(guān)模式的影響


通過選擇合適的電源系統(tǒng)架構(gòu)來平衡設(shè)計折中很重要。拓?fù)浜烷_關(guān)模式,如軟開關(guān)(相對于硬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器),可以使系統(tǒng)對振蕩等寄生效應(yīng)不那么敏感,振蕩會增加開關(guān)組件上的電壓應(yīng)力。


拓?fù)溥x擇是新太空設(shè)計中的重要實例,開關(guān)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(yīng)、輸出紋波、電磁干擾 (EMI) 發(fā)射與成本等。


主要開關(guān)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(dǎo)通行為。開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率的增加而增加,從而可限制開關(guān)頻率。體內(nèi)二極管導(dǎo)通損耗將進(jìn)一步降低硬開關(guān)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(dǎo)模式鉗位,因此很難管理 GaN 死區(qū)傳導(dǎo)期。


在同步硬開關(guān)降壓拓?fù)渲?,高?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(dǎo)最大電流時接通。因此,高側(cè)開關(guān)的功耗在開關(guān)切換過程中達(dá)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(yīng)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。


1686910362888885.jpg

圖 2:輻射光譜(插圖由哈佛大學(xué)提供)[2]。


軟開關(guān)的優(yōu)勢


替代方案(軟開關(guān))將大幅降低這些開關(guān)損耗。軟開關(guān)技術(shù)需要的控制電路更復(fù)雜,因為開關(guān)時序必須與開關(guān)波形協(xié)調(diào)。


軟開關(guān)的一個實例是零電壓開關(guān) (ZVS) 技術(shù),可提高一系列電源拓?fù)溟g的轉(zhuǎn)換效率。顧名思義,當(dāng)開關(guān)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(dǎo)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(shù)的鉗位開關(guān)的工作允許轉(zhuǎn)換器在高低側(cè)開關(guān)都關(guān)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(fèi)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(guān)的導(dǎo)通行為中去除,可降低 MOS FET 針對 CGD 進(jìn)行選擇的敏感性,因此,設(shè)計人員可將工作重心從導(dǎo)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(guān)寄生電感和電容,這些電感和電容易產(chǎn)生諧振,在硬開關(guān)拓?fù)渲姓T導(dǎo)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(guān)行為中消除電壓尖峰可讓設(shè)計人員選擇 RDSON 較低的較低電壓 MOSFET,從而提高效率。


1686910347430980.jpg

圖 3:硬開關(guān)與軟開關(guān)波形(插圖由《電子設(shè)計》提供)[2]。


軟開關(guān)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(guān)技術(shù),為專門用于 MEO 和 LEO 衛(wèi)星應(yīng)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?fù)錇?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(yīng)對現(xiàn)代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 消耗的大電流時,優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 至關(guān)重要。Vicor 模塊將軟開關(guān)解決方案、耐輻射有源組件和符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的無源組件進(jìn)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(yùn)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(hù)電路將強(qiáng)制斷電復(fù)位。在復(fù)位間隔期間,冗余供電鏈將承擔(dān)全部負(fù)載,而且復(fù)位后,兩個供電鏈將再次并聯(lián)運(yùn)行。


1686910331241372.jpg

圖 4:高功率諧振(ZVS 和 ZCS)拓?fù)淠K。


在眾多因素中,拓?fù)浜烷_關(guān)模式的選擇是設(shè)計新太空電源轉(zhuǎn)換器時的重要因素。


來源:Vicor

作者:Ken Coffman



免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:


工程師必須知道的大電流單通道柵極驅(qū)動器設(shè)計技巧

如何高效完成大電流單通道柵極驅(qū)動器電路設(shè)計?

IBM陳旭東:人工智能引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新,推動企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

PFC電路:死區(qū)時間理想值的考量

用時鐘頻率精度測量電路進(jìn)行時間校驗

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉