SpaceX因太空辐射损失40颗卫星的教训聚焦抗辐射IC设计

　　太空，＂最后的前沿＂，一直是人们越来越感兴趣的领域，尤其是对于电子设备而言。 Microchip、BAE Systems、英特尔、CAES 和 Lattice Semiconductor 等公司致力于实现更好的空间级 IC 设计。
　　设计空间技术可能成本高昂、复杂且有风险。太空技术通常有一次成功或失败的机会，那就是它被发射到太空的时候。
　　最近感受到太空技术带来的斗争的太空冒险是SpaceX。
　　最近，SpaceX 报告称，它于 2022 年 2 月 3 日发射的 49 颗 Starlink 卫星中，多达 40颗卫星从低地球轨道丢失掉了。
　　他们宣布，这些丢失的卫星中的大多数都受到了地磁风暴的影响，该风暴是由地球磁场和来自太阳的带电粒子之间的干扰造成的。
　　来自太空的辐射和磁场可能影响卫星设备中的组件
　　风暴造成高大气阻力，导致一些机载系统出现故障。 40颗脱轨卫星将进入或已经进入地球大气层，以确保可持续的太空环境。
　　这一事件进一步强调了空间系统设计人员为卫星控制系统选择高度可靠的空间级组件的重要性。
　　然而，电子设备在太空中面临着各种不可预测的挑战，从极端温度到大量空间辐射。此外，如果发生故障，卫星将无法修复。
　　因此，始终需要具有高平均故障时间 (MTTF) 的稳健电子元件，该指标与组件的可靠性或平均寿命有关。
　　考虑到这一点，本文将探讨电子电路在太空中面临的一些挑战，然后深入探讨最近针对抗辐射（rad-hard）和太空工业的三项风险投资。
　　《抗辐射半导体存储器》太空电子电路的挑战
　　在设计进入＂最终前沿＂的电子产品时，需要考虑很多事情。
　　电子设备必须承受的第一个障碍是发射启动过程中产生的振动和噪音。这些突然的振动会损坏甚至短路电气设备；因此，航天级电子产品必须通过各种振动和冲击吸收测试。
　　另一个挑战是由于光电效应和卫星周围的低密度等离子体导致的高静电放电。电气元件必须在太空环境中承受高达 20,000 V 的放电。为防止这种情况，最好使用能抵抗电荷积聚的材料作为覆盖物。
　　除了这些问题，太空级电子产品还面临着巨大的热管理挑战。电子产品暴露在空间中的极端温度波动中，陶瓷封装提供了对这些高度恶劣环境中的保护。
　　然而，问题在于电子设备产生的散热，因为在真空中不会发生热传导。当组件暴露在高温下时，它们的预期寿命会严重降低。
　　《辐射检测系统：传感器材料、系统、技术和表征测量》
　　当谈到太空中组件的可靠性时，最大的障碍是辐射。
　　在太空中，电子设备容易受到各种电离和不带电粒子的影响，例如 Alpha 和 Beta 粒子、光子、X 射线和伽马射线。
　　显示粒子对电路的影响的示例电路
　　这些粒子可能会撞击电子元件并产生分类为总电离剂量 (TID) 和单事件效应 (SEE) 的不良行为。 TID 是与 MTTF 相关的长期故障。
　　导致 TID 的效应通常与半导体器件中的电荷积累有关。电荷积累会导致漏电流、增益下降、不希望的输入-输出特性以及更严重的永久性问题。
　　另一方面，SEE 是由高能粒子通过设备注入电荷引起的。这些影响会导致位翻转、内存状态变化以及许多永久性问题，如栅极氧化层损坏、闩锁等。
　　正如我们所观察到的，电子设备在太空中面临着许多不可预测的挑战。此外，随着现代卫星采用高速通信电路和其他机载处理单元，卫星中的仪器变得越来越复杂。因此，需要能够简化系统开发的航天级组件。
　　《辐射检测系统：医学成像、工业测试和安全应用》Microchip 的混合空间电源转换器
　　考虑到设计太空电子产品的所有这些挑战，Microchip 最近发布的一个版本希望能够继续推动新的太空级转换器的发展。
　　最近，Microchip 发布了一系列 50 W 混合航天级电源转换器 SA50，标准输出为 3.3 V、5 V、12 V、15 V 和 28 V，采用单输出和三输出配置。这些设备旨在简化系统推动空间应用的发展。
　　空间系统设计人员在电源转换器方面没有灵活性，无法将电路与非标准输入电压结合起来。因此，Microchip 灵活的转换器有助于设计人员满足特定的电压和电流需求并简化他们的系统。
　　Microchip 的空间级系列电源转换器。图片由 Microchip 提供
　　总而言之，SA50 转换器符合电磁干扰 (EMI) 标准且抗辐射。这些转换器规定了 800 万小时的 MTTF 和 87% 的效率，据称这是所有混合空间级 DC-DC 转换器中最高的。
　　BAE系统获得抗辐射微电子合同
　　由于太空正在成为电子工业的重要组成部分，随着卫星和通信硬件的出现，需要更多的太空级组件。
　　最近，BAE Systems 获得了来自 Rock Island 陆军承包司令部的价值 6000 万美元的合同，与英特尔的商业代工厂 Intel Foundry Services 一起开发太空级微电子产品。
　　目前，商业上可用的最先进的 ASIC（专用集成电路）和其他集成电路都不是太空级的。因此，BAE Systems 的 FAST 实验室和英特尔旨在为太空应用扩展可用的电子技术。他们正在共同构建一个新的设计库，为先进的太空级微电子技术铺平道路。
　　除了英特尔代工服务之外，BAE Systems 还与由 Cadence Design Systems、卡内基梅隆大学、Movellus、Reliable MicroSystems 和桑迪亚国家实验室组成的团队合作。
　　随着如此多的公司开始参与并致力于创建太空级 IC，未来组件的势头开始增强。
　　《电磁辐射、散射和衍射》合作开发航天级 FPGA
　　BAE Systems 和英特尔并不是唯一希望进入太空电子设计领域的公司。
　　CAES 和莱迪思半导体最近宣布合作发布太空级莱迪思 FPGA。
　　开发的 Certus-NX-RT 和 CertusPro-NX-RT FPGA 紧凑且节能。它们基于 28 nm 工艺技术，并采用耐辐射、完全耗尽的绝缘体上硅 (FD-SOI) 制造工艺，具有耐温锡铅 (SnPb) 端子。
　　一张图表概述了莱迪思和 CAES 为此次合作带来的一些好处。
　　此次合作将解决对低功耗可编程空间级编程单元日益增长的需求。莱迪思半导体首席战略和营销官 Esam Elashmawi 认为，凭借莱迪思的 FPGA 技术和 CAES 的航空航天知识，他们可以加快处理空间应用的需求。
　　《聚变等离子体相干辐射的高频源》推动更多抗辐射和太空级组件
　　设计可持续数十年的空间系统是一项具有挑战性的任务，并且随着半导体器件和复杂性的增加，辐射硬化的任务也变得越来越复杂。
　　器件的特征尺寸不断缩小，使它们更容易受到辐射效应的影响。而且，性能和可靠性之间总是需要权衡取舍，这也是航天级元器件供应商正在努力克服的挑战。
　　然而，随着许多公司和机构涌现出各种抗辐射器件，太空级最先进电子器件的缺乏正在缓慢解决。