未來,外太空探測任務所使用的科學工具將會產生大量的資料。為了處理這些資料,板載電腦需要具備更高的運算能力。然而,極端的工作環境正成為提升這些設備性能時的最大挑戰。

太空環境存在一些特殊情況,可能影響或甚至破壞太空材料的機械特性,並因此對整個設備結構的操作行動造成負面影響。

太空輻射流主要由85%的質子和15%的重核組成。輻射效應可能導致設備性能的退化、干擾和中斷。合格的太空設備最重要的就是必須確保其長期可靠運行的能力。

太空輻射

太空——包括地球大氣層以上的區域——充斥著許多可能損壞半導體元件的高能量粒子,例如,范艾倫輻射帶(Van Allen belt)中的電子和質子、銀河宇宙射線、X射線和紫外線等。一般來說,有兩大類效應——累積效應和單粒子事件效應,導致微電子電路工作參數發生變化(圖1)。

CMOS memory cell cross section

圖1:大量離子破壞CMOS記憶體單元的剖面圖

帶電粒子和伽瑪射線會產生游離,導致裝置的參數改變;這種改變可以根據總游離輻射劑量(TID)參數來估算。被吸收的游離輻射劑量通常以rad為單位測量,即1克材料吸收100爾格(erg)能量(近年來rad逐漸被gray取代:1 rad = 0.01 Gy)。由於每單位質量的能耗因材料而異,因此沉積游離輻射劑量的材料經常以測量單位來定義,例如rad (Si)或rad (GaAs)。

TID是由於太陽活動而長期暴露於電子和質子所產生的累積效應。元件參數的逐漸退化,例如電源和擴散電流、閾值電壓和傳播時間,都是TID失效的徵兆。太空船和衛星的任務持續時間以及軌道高度的要求,決定了元件必須遵循的游離輻射劑量。典型的輻射量在10到100krad(Si)之間。

累積效應是指經年累月無可挽回的損害累積到了某一天,太空設備內的電子元件終於無法使用。這些損害在實驗室中是可預測的,我們可以透過這些測試資訊,為每架太空飛行器設定一個可行的平均壽命。

另一方面,單事件效應(SEE)卻是不可預測的,它隨時可能出現,具體取決於電子設備的存放位置。SEE分為兩類:瞬態效應(或軟錯誤),如單瞬態事件(SET)和單事件翻轉(SEU);災難性效應,如單事件燒毀(SEB)、單事件擊穿(SEGR)和單事件鎖定(SEL)。

每個單事件效應產生的背後機制都涉及了粒子通過之後,在設備敏感區域的電荷累積。根據庫侖相互作用(Coulomb interaction),在路徑中的半導體元件中,將釋放直徑從幾百奈米到幾微米的電子–電洞對。

取決於不同的因素,粒子可能導致無法觀察到的效應(SET)、微處理器電路操作的瞬態擾動、邏輯狀態的變化(SEU、SEL),或者對裝置或積體電路的永久性損壞(SEGR、SEB)。

目前採用的預防方案是避免將衛星安置於Van Allen輻射帶區域;或可在太陽風流量增加期間關閉衛星;製造和使用防護罩也可以抗輻射(儘管它們有時可能很重)。但最重要的是,在設計中實施抗輻射元件,並在實驗室中進行測試(圖2)。

rad-hard component, Aeroflex

圖2:抗輻射元件示例。(圖片來源:Aeroflex)

衛星架構

現代通訊衛星的結構設計有利於將其置於合適軌道的過程,同時有助於實現各種功能。衛星的中心部分包括了大部分電子設備、推進系統及其相對的燃料儲槽(圖3)。

衛星中使用太陽能感測器,它能夠辨識太陽的位置,並以此作為衛星定位的主要參考點。推進系統則用於保持衛星在適當的位置。其服務平台或模組提供控制衛星方向、推進、熱調節和功率指向的功能。控制系統的典型元件包括慣性測量單元(IMU)、處理訊號和監測衛星位置所需的電子元件。陀螺儀用於確保衛星指向的穩定性。針對通訊系統,有效載荷包括天線、低雜訊放大器(LNA)和本地振盪器。如果是GPS導航衛星,還包括原子鐘、訊號產生器和放大器。

satellite, NASA

圖3:衛星結構示意圖。((圖片來源:NASA)

控制系統

針對航太和國防市場中的電子系統,功率控制和熱管理可能最具關鍵性。在電力電子領域,開發趨勢是在縮小設備尺寸的同時提高其效率,使得因熱耗散而損耗的功率隨著「處理」熱量的區域縮小而減少。

衛星的熱控制系統需要精心設計,才能讓衛星的所有部分在各任務階段均保持在可接受的溫度範圍。熱控制對於確保最佳性能和任務成功至關重要,其涉及的幾個元件透過「比例 - 積分 - 微分」(PID)演算法來管理。

儘管必須滿足熱上限(thermal constraints),也不能以降低性能為代價;因此,熱管理系統的精密設計和操作十分必要。

PID控制是各種工業領域普遍接受的控制演算法,由積分方程式所表示的三個參數(P、I和D)組成。

PID控制器的目的在於保持輸出的穩定性,使得過程變數與設定點或所需輸出之間誤差為零。其控制行為基於三種配置: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。

由於P控制器的限制,過程變數和設定點之間總是存在偏差,因此需要積分控制器(或稱I控制器)以消除穩態誤差。但當出現負誤差時,積分控制會降低其有效性,從而限制回應速度並影響系統的穩定性。

I控制器無法預測未來的誤差行為。它通常在設定值發生變化後馬上作出反應。微分控制器(或稱D控制器)則透過預測未來的誤差行為以解決問題,其輸出為誤差隨時間的變化率乘以導數常數。微分控制預測了系統行為,從而改善了沉積時間和系統的穩定性(圖4)。

PID control system

圖4:PID控制系統方塊圖。((圖片來源:ADI)

抗輻射FPGA確保任務成功

人造衛星營運商對於資料的渴望永無止境,因而明確要求衛星設計應該具有更高的感測器能力。這導致大量的資訊產生,在衛星上執行訊號處理的需求也不斷增加,下行鏈路頻寬因此得以有效利用。Interstellar專案旨在改善航太與國防應用的ADC/DAC性能。這些裝置將促進衛星通訊、導航和科學任務的各種資料擷取鏈解決方案。作為Interstellar專案的一部分,Teledyne e2v的EV12AQ600是首款帶有交叉點開關(CPS)的12位元ADC。該ADC讓元件同時運行其四個核心,實現超過6GSps的取樣率。

執行遙感任務的衛星在訊號處理上面臨重大瓶頸。針對太空應用進行封裝和測試的最大FPGA,歷來採用靜態隨機存取記憶體(SRAM)。但SRAM單元中的任何輻射都可能導致FPGA設計配置的變化,從而導致系統故障。設計人員不得不採取額外的緩解措施,包括讀取和糾正FPGA配置記憶體。

基於快閃記憶體(Flash)的FPGA提供了解決此問題的新方法——結合針對訊號處理應用最佳化的架構以及65nm Flash製程,從而有效防禦由於太空輻射導致的配置損耗。例如Microsemi基於耐輻射Flash的FPGA系列產品(RTG4系列),配備了針對訊號處理應用最佳化的高性能架構。Xilinx抗輻射和耐輻射FPGA(如Virtex-5QV)則滿足極端環境下的性能、可靠性和生命週期要求,可實現較傳統ASIC更短的設計時間、更低成本、降低專案風險,並提供更大的靈活性。

航太產業一直是最先進的技術領域。即使是用於衛星上執行一系列關鍵任務的簡單連接器,也完全無法承受可靠性出現任何問題。隨著太空中需要管理的資料日益增加,FPGA開始從中發現越來越多的應用。現代抗輻射FPGA可望確保更可靠的操作和任務成功。

(參考原文:High-performance electronics for space missions,by Maurizio Di Paolo Emilio)