1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

由于符合航天標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 的供應(yīng)增加，以及這些陣列的處理能力相應(yīng)地提高，為衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。要實(shí)現(xiàn)這些處理能力，需要摒棄 FPGA 所需的多個(gè)電源軌，以及具有非常嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)要求的高電流、低電壓內(nèi)核電源軌。這些要求使得早期的電源管理設(shè)計(jì)不太實(shí)用，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法滿足衛(wèi)星的所有尺寸、重量和輻射性能要求。

本應(yīng)用簡(jiǎn)介回顧了負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源系統(tǒng)架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)了耐輻射性能（尤其是單粒子效應(yīng)）在滿足當(dāng)前 FPGA 電壓調(diào)節(jié)要求方面的相關(guān)性。

航天器電力系統(tǒng)概述

航天器電力系統(tǒng) (EPS) 涵蓋了包括發(fā)電、能量存儲(chǔ)、配電和調(diào)節(jié)以及控制在內(nèi)的所有方面。EPS 分為兩個(gè)子系統(tǒng)：初級(jí)子系統(tǒng)和次級(jí)子系統(tǒng)；二者的理想組合助力實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)行。

次級(jí)電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分是選擇合適的 POL 轉(zhuǎn)換器，其中包括開(kāi)關(guān)直流/直流穩(wěn)壓器和低壓降穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是本文的重點(diǎn)，憑借較高的效率，成為低電壓、高電流 FPGA 電源內(nèi)核電源軌的熱門(mén)選擇。

上一代航天級(jí) FPGA 的制造過(guò)程使用了更大的結(jié)構(gòu)幾何形狀，專注于單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU) 緩解，以及三重寄存器和雙聯(lián)鎖存儲(chǔ)內(nèi)存單元等強(qiáng)化方法。此過(guò)程的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較大的寄生路由電容從本質(zhì)上過(guò)濾了輻射環(huán)境中固有的單粒子瞬變 (SET)。新一代 FPGA 具有更高的邏輯密度和更小的互連。因此，SET 可能是主要的單粒子效應(yīng) (SEE)，因?yàn)榭臻g中離子的電荷量會(huì)影響敏感節(jié)點(diǎn)的可能性增加。

在現(xiàn)代衛(wèi)星中，即使負(fù)載發(fā)生巨大變化，次級(jí)配電單元也必須精確且無(wú)波動(dòng)地提供各種低電壓。圖 1-1 是一個(gè)次級(jí)配電系統(tǒng)示例。

如圖所示，這些模塊使用 3.3V 或 5V 配電電源軌來(lái)生成負(fù)載模塊所需的電源電壓。這些卡的本地電壓通常由有效載荷模塊內(nèi)的緊湊且高效的直流/直流轉(zhuǎn)換器生成。各種電源電壓和電流負(fù)載，以及更高的電源效率要求引發(fā)了一個(gè)新的設(shè)計(jì)問(wèn)題，使得成熟的舊設(shè)計(jì)方法不太實(shí)用，更難達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

此外，如圖 1-2 中所示，工藝節(jié)點(diǎn)的縮小導(dǎo)致內(nèi)核電壓軌降至 1.0V 以下，需要直流/直流轉(zhuǎn)換器來(lái)優(yōu)化低電壓調(diào)節(jié)性能。這種優(yōu)化性能的示例包括應(yīng)對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展的低電壓、高精度內(nèi)部基準(zhǔn)，用于更好地定制直流/直流轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足高性能應(yīng)用需求的可調(diào)節(jié)斜率補(bǔ)償，以及并聯(lián)轉(zhuǎn)換器以提供更大電流，從而提高系統(tǒng)靈活性和可重復(fù)使用性的能力。

同時(shí)，隨著衛(wèi)星系統(tǒng)（例如，使用多個(gè) FPGA 的相控陣系統(tǒng)的地球觀測(cè)程序）越來(lái)越復(fù)雜，選擇采用現(xiàn)代金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)的直流/直流轉(zhuǎn)換器可以提供更高的系統(tǒng)效率。更高的系統(tǒng)效率使設(shè)計(jì)人員能夠減小光伏陣列的規(guī)模和電池重量，并實(shí)現(xiàn)重要的衛(wèi)星設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。

FPGA 技術(shù)的工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展以及處理能力的提高，需要滿足更嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)要求。

隨著工藝節(jié)點(diǎn)的演變，不同 FPGA 的調(diào)節(jié)容差也發(fā)生了變化。這種演變大幅減小了裕度，并增加了對(duì) POL 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的影響。嚴(yán)格調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓可確保正常運(yùn)行，而將電源靠近新 FPGA 現(xiàn)在對(duì)于確保寄生阻抗引起足夠的電壓偏移更加重要。

POL 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)成精確滿足以下要求：重復(fù)用作不同有效負(fù)載模塊的標(biāo)準(zhǔn)電源接口。盡管該標(biāo)準(zhǔn)電源接口可顯著降低成本并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，但它更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮 POL 轉(zhuǎn)換器的不同配置（不同輸出電流下的不同輸入和輸出電壓)。此過(guò)程包括更改功率級(jí)組件和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

因此，選擇涵蓋所需輸入和輸出電壓范圍的 POL 轉(zhuǎn)換器非常重要，該轉(zhuǎn)換器還可以為負(fù)載提供足夠的輸出電流。

電源轉(zhuǎn)換器中的輻射效應(yīng)

除了現(xiàn)代電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)中嚴(yán)格的電氣要求外，設(shè)計(jì)人員還需要考慮輻射效應(yīng)。在某些情況下，輻射效應(yīng)要求可能不像電氣要求那么明顯。

輻射效應(yīng)分為兩大類：時(shí)間依賴性和時(shí)間隨機(jī)性。隨時(shí)間變化的效應(yīng)稱為劑量效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致器件參數(shù)發(fā)生變化，例如超出數(shù)據(jù)表限制的規(guī)格。

劑量效應(yīng)分為兩類：總電離劑量和中子劑量。由于劑量效應(yīng)的時(shí)間依賴性，通常能夠得到非常好地量化和理解。因此，設(shè)計(jì)人員可以很容易地選擇適合任務(wù)時(shí)間分布的航天級(jí)電源器件。

隨機(jī)時(shí)間效應(yīng)是指 SEE。考慮到它們的隨機(jī)性，并且在某些情況下具有破壞性，理解 SEE 并將其置于電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)環(huán)境中可能更具挑戰(zhàn)性。有兩種類型的 SEE：破壞性和非破壞性。

破壞性 SEE 包括單粒子閂鎖、單粒子?xùn)糯┖蛦瘟Ｗ訜龤АＷ詈髢煞N效應(yīng)特別適用于功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，例如直流/直流轉(zhuǎn)換器輸出級(jí)中使用的晶體管。破壞性 SEE 由于其破壞性質(zhì)（通過(guò)或失敗），在某些方面來(lái)說(shuō)也相對(duì)容易評(píng)估。只要制造商在特定有效線性能量傳遞 (LETeff) 范圍內(nèi)執(zhí)行并正確記錄這些測(cè)試的結(jié)果，工程師就可以選擇適合任務(wù)軌道的器件。

非破壞性 SEE 包括 SET、SEU 和單粒子功能中斷 (SEFI)。非破壞性 SEE 的影響通常表現(xiàn)為器件輸出誤差。誤差的大小和行為取決于 LETeff 以及電氣測(cè)試條件。因此，非破壞性 SEE 比破壞性 SEE 更復(fù)雜一些。

SET 和 SEFI 是通常與模擬器件相關(guān)的效應(yīng)；SEU 適用于數(shù)字電路中發(fā)生位翻轉(zhuǎn)的數(shù)字器件。由于大多數(shù)航天電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)都基于模擬器件，因此本文重點(diǎn)介紹 SET 和 SEFI。需要詳細(xì)描述這些效應(yīng)的特性，確保它們的行為不會(huì)影響正常運(yùn)行，也不會(huì)潛在損壞負(fù)載。

根據(jù)負(fù)載類型，電壓調(diào)節(jié)要求可能很嚴(yán)格。如前所述，符合航天標(biāo)準(zhǔn)的高性能 FPGA 通常需要 ±4% 的內(nèi)核電壓調(diào)節(jié)精度。該百分比包括電氣交流和直流調(diào)節(jié)，以及航天應(yīng)用典型的老化和輻射效應(yīng)。因此，對(duì)輻射效應(yīng)敏感的直流/直流轉(zhuǎn)換器可能會(huì)受到輸出電壓變化大于 FPGA 精度要求的影響，如果輸出電壓下降（負(fù) SET），會(huì)觸發(fā) FPGA 上電復(fù)位，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失并且需要對(duì) FPGA 重新編程。

相反（甚至更令人擔(dān)憂的是），輸出電壓增加（正 SET）可能會(huì)超出 FPGA 的絕對(duì)最大額定電壓，并可能損壞器件。功率器件輸出上的大幅度 (> 4%) 過(guò)沖極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫^(guò)沖會(huì)在下游電路中造成損壞（電過(guò)應(yīng)力）。

圖 1-3 展示了一個(gè) TPS50601A-SP 的 SEFI 示例，TPS50601A-SP 是一個(gè)航天級(jí) 3V 至 7V 輸入、6A 直流/直流轉(zhuǎn)換器。SEFI 發(fā)生在 LETeff = 86 MeV-cm²/mg 時(shí)，恢復(fù)時(shí)間約為 4ms。

在此示例中，無(wú)需擔(dān)心超過(guò)負(fù)載的額定電壓，而需要擔(dān)心負(fù)載可能會(huì)停止運(yùn)行，因?yàn)檫@可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。乍一看，理想解決方案似乎是選擇一個(gè)滿足所需 LETeff 的無(wú) SEFI 器件。然而，在進(jìn)行此類評(píng)估之前，明確這些效應(yīng)的特性至關(guān)重要。圖 1-3 中的 62 個(gè)重疊粒子展示了 SEFI 的可重復(fù)性。

在重離子表征之后，可以計(jì)算事件發(fā)生率，來(lái)評(píng)估器件是否適合給定應(yīng)用。德州儀器 (TI) 計(jì)算了近地軌道 (LEO) 應(yīng)用（例如國(guó)際空間站和地球同步軌道 (GEO) 應(yīng)用）的事件發(fā)生率。事件發(fā)生率表明，圖 1-3 展示的 SEFI 行為在 LEO 應(yīng)用中每 70 萬(wàn)年發(fā)生一次，在 GEO 應(yīng)用中每 21 萬(wàn)年發(fā)生一次。

有關(guān) TPS50601A-SP 的 SEE 性能的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱完整的輻射報(bào)告：TPS50601A-SP 同步降壓轉(zhuǎn)換器的單粒子效應(yīng)測(cè)試報(bào)告。

耐輻射 POL 產(chǎn)品系列

為了支持大多數(shù) FPGA 有效負(fù)載設(shè)計(jì)所需的各種獨(dú)特電源軌，TPS7H4001-SP 這款 3V 至 7V 輸入、18A 直流/直流轉(zhuǎn)換器能夠并聯(lián)，來(lái)支持最高 72A 電流。此外，TPS7H4002-SP 是一款 3V 至 5.5V 輸入、3A 直流/直流轉(zhuǎn)換器，可為低電流軌提供出色的功率密度。

需求增加

半導(dǎo)體工藝中的工藝節(jié)點(diǎn)顯著減少，數(shù)字內(nèi)核的電源電壓低于 1V。隨著數(shù)字內(nèi)核處理能力的提高，這些變化轉(zhuǎn)化為對(duì)電源電流的需求增加，以及對(duì)電源轉(zhuǎn)換器的嚴(yán)格調(diào)節(jié)要求。

這種調(diào)節(jié)要求不僅涉及 POL 轉(zhuǎn)換器的電氣性能，還涉及其在輻射效應(yīng)下的性能。輻射敏感型直流/直流轉(zhuǎn)換器可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的下游性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并可能損壞負(fù)載。因此，正確表征直流/直流轉(zhuǎn)換器 SEE 特性有助于設(shè)計(jì)人員根據(jù)事件發(fā)生率計(jì)算選擇正確的 POL 轉(zhuǎn)換器。

資源

• 德州儀器 (TI) E2E? 論壇，2020 年航天級(jí)電源管理的 4 大趨勢(shì)
• 德州儀器 (TI) E2E? 論壇，增強(qiáng)型航天塑料為設(shè)計(jì)人員提供用于新興近地軌道商業(yè)應(yīng)用的全新解決方案
• 德州儀器 (TI)，TI 航天產(chǎn)品：使用先進(jìn)的防輻射 (RHA) 和 QMLV 產(chǎn)品打造創(chuàng)新型航天解決方案