如何應對艱巨的耐輻射電源電子系統設計

作者：首席應用工程師 Salah Ben Doua 和高級現場應用工程師 Ken Coffman

太空中的電子系統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，沒有地球大氣層吸收太陽及宇宙射線，系統將暴露在更大强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故障。

但即使是無源組件可能也會出現放氣等問題。此外，散熱也更具挑戰性，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後輻射散掉。

本文將探討這些問題，具體涉及航太電源系統的設計。這裡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）以更低額定值為組織。然而，作為輻射穩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耐輻射電源系統的關鍵，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中的基本戰畧及多種優勢。

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。關於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，波輻射的内容與光的内容相似，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，這是量測輻射暴露的關鍵參數。

波輻射和粒子輻射並不是完全分開的兩件事，但它們對電子系統的影響是不同的。單個粒子的質量很小，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，特別是對電晶體晶體晶格的損壞，這種損壞是永久和/或累積性的。在電子被拖入損耗區，使非導電區導電的地方，會出現暫時性的破壞。正離子取代晶體基質中的摻雜原子時，也會出現永久性損壞，有時會使電晶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，輻射强度會提升，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，我們用於在地面散熱的有效對流不起作用。傳導的作用是傳播熱能，但多餘的熱量最終必須輻射到寒冷的太空中。一個複雜的因素是，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）。衛星系統的散熱設計很複雜。

構建堅固耐輻射電源電子器件的策略

即使在當前快節奏的新太空商業環境中，發射更換報廢衛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。

怎麼實現？

答案不止一個，創建堅固的航空電子系統的解決方案是多方面的。

• 根據耐輻射性選擇組件。一些業界一流的電晶體工藝節點提高了耐輻射性。雙極性電晶體可根據其位移損壞等級進行選擇。 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境中使用，如某些環氧樹脂和鋁電解質容器，它們會在真空中釋放氣體。
• 為了說明批次之間的差异，可以對一個批次進行抽樣測試，看看其輻射效能。 如果通過測試，本次生產的器件即可放心使用。
• 物理冗餘。可執行多個系統實例。 一個發生故障，可以設計讓另一個系統來接管。 在一些系統中，有三個系統並行運行。 如果其中一個與另外兩個不一致，其輸出即可忽略。 有時提供有四個冗餘系統，如果一個系統出現故障，可換用一個備用系統。
• 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後仍能正常工作。
• 遮罩可用於保護敏感電子器件，但如果粒子能量足够高，遮罩的級聯粒子會使問題新增。
• 如果故障可恢復，可以添加電路來監控效能，斷開並重啟出問題的系統。

無論設計策略和電源拓撲如何，航太電子系統都必須進行環境及輻射效能分析、模擬和測試。

耐輻射設計要求限制了組件的選擇。監控器、安全保護機制、電源斷開及復位電路的效能的新增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（相對於硬開關電源轉換器），可以使系統對振盪等寄生效應不那麼敏感，振盪會新增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換執行的所有重要規範，其中包括功率密度、效率、瞬態回應、輸出紋波、電磁干擾（EMI）發射與成本等。

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新增而新增，從而可限制開關頻率。 體內二極體導通損耗將進一步降低硬開關轉換器的電源轉換效率。雖然 GaN FET 沒有物理體內二極體，但確實有幾伏特的反向傳導模式鉗比特，因此很難管理 GaN 死區傳導期。

在同步硬開關降壓拓撲中，高側 MOSFET 在其電壓最大（見圖 2a）並在接通部分工作週期過程中傳導最大電流時接通。因此，高側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，因此在相同的轉換器中，高電壓比應用的轉換器（例如，28V 至 3.3V）的效率往往比在要求較低轉換比（例如，5V 至 2.5V）的電路中的低。

軟開關的優勢

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複雜，因為開關時序必須與開關波形協調。

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換效率。顧名思義，當開關的電壓為零或接近零時，ZVS 會高側 MOSFET 上實現（見圖 2b）。這在高側 MOSFET 導通間隔期間打破了功耗與電壓轉換比之間的聯系。

支持 ZVS 技術的鉗位開關的工作允許轉換器在高低側開關都關閉時，在輸出電感器中存儲少量能量。轉換器可使用這種在其它方面浪費的能量為高側 MOSFET 的寄生電容放電，並為同步 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品質因數轉向導通電阻。

這種在接通過程中驅動高側 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生諧振，在硬開關拓撲中誘導大型電壓尖峰和振盪（見圖 3a）。通過消除尖峰並防止振盪（見圖 3b），ZVS 不僅可消除功耗項，而且還可消除 EMI 發射源。

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。

軟開關的功能非常廣泛。例如，Vicor 在其耐輻射電源模組解決方案中使用軟開關科技，為專門用於 MEO 和 LEO 衛星應用的高效能通訊 ASIC 供電（見圖 4）。系統模組使用 ZVS 升降壓拓撲為 BCM® 和 VTM™ 的 PRM™ 與 ZVS 及 ZCS 正弦振幅轉換器（SAC）提供支援。

VTM 尺寸小，可以盡可能靠近 ASIC 佈置。在應對現代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 消耗的大電流時，優化配電網路（PDN）至關重要。Vicor 模組將軟開關解決方案、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合。

為緩解單事件功能中斷（SEFI）問題，所有耐輻射模組都包括並聯運行的完全冗餘供電鏈。如果一個供電鏈因單個事件而出現故障，其保護電路將強制斷電復位。在復位間隔期間，冗餘供電鏈將承擔全部負載，而且復位後，兩個供電鏈將再次並聯運行。

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換器時的重要因素。

但本質內容是：耐輻射電子系統很難設計。

參考資料

1. 電磁輻射和電磁頻譜，摘自 Chandra X 射線天文臺網站。
2. Stephen Oliver，“軟開關的硬事實”，摘自《電子設計》，2013 年 9 月 20 日。

Salah Ben Doua，首席應用工程師，在電源設計領域擁有 30 年的豐富經驗，為 Vicor 客戶提供支持已有 20 餘載，主要為包括航空航太與國防、工業、鐵路、照明與通訊在內的眾多領域的 DC-DC 和 AC-DC 電源系統開發提供專業技術及諮詢。 Salah 畢業於圖盧茲國家理工學院（the National Polytechnic Institute of Toulouse），獲電源轉換專業博士學位。

Salah Ben Doua，首席應用工程師

Ken Coffman，高級現場應用工程師，被指派到 Vicor 新太空計畫工作。他住在亞利桑那州鳳凰城。您可以給 Ken 發郵件，郵箱地址為： kcoffman@vicr.com 。

Ken Coffman，高級現場應用工程師