抗辐射|抗辐射加固、扩展安全工作区、集成，三者结合共同提升空间用元器件性能和研发效率
观点来源：ST公司空间和高可靠性市场经理Thibault Brunet
ST公司空间和高可靠性技术办公室经理Salvo Pappalardo
欧洲航天局电源管理和分配首席工程师FerdinandoTonicello
无论是卫星还是载人飞行任务，空间应用电子元器件和电子板的设计都同时面临着若干挑战。辐射是由光子、电子、中子或高能离子等粒子形成，可以改变或破坏半导体元件，导致部分或全部任务失败。而电子元器件的供应商可以大大简化系统架构师、元器件工程师、辐射专家和电子板设计人员所面临的复杂方程。
应对方案之一
屏蔽和冗余是常用的技术，以将故障风险限制在可接受的水平。这些解决方案取决于一些参数，如粒子在飞行任务寿命期间存在的概率，或其设计的组件和系统对飞行任务至关重要的程度。然而，这也有缺点，从最初的开发到最后的倒计时，所有这些风险缓解技术都增加了漫长而复杂的设计周期和发射重量（重量是发射成本的一个关键参数）的成本。在新的空间星座中，卫星本身具有冗余性----备用卫星随时可以接替任何失效的卫星。
空间应用选用准则
为空间环境设计电子系统，首先要确定飞行器的规格和任务情况，通常包括预期寿命、辐射和温度及任务的关键性----在预期寿命期间发生故障的可接受风险水平。项目负责人、系统架构师、元器件工程师和电路板设计人员根据规范确定飞行器的结构及各子系统的规范和任务概况。
飞行器能否达到预期寿命，取决于能否正确处理其各子系统的辐射加固以及可能出现的故障和异常行为，就需要对各部件的可靠性和抗辐射加固进行评估，并了解故障机制以减轻任何影响和阻止扩散。
多年来，各空间机构制定了旨在有效确定解决方案的准则，以最大限度地提高飞行任务的成功概率。运营商在购买卫星时往往规定必须遵守这些准则，包括在卫星寿命期间将经历的最恶劣条件下对每个器件进行模拟和测试，包括老化、辐射和失效模式的影响。
此外，还强制采用降额。如准则要求，一个器件指标高达125℃，最大电源高达5.5V，必须在其生命周期内不超过110℃，并且必须永远不会看到超过4.4V的Vcc引脚。
非空间专用不完全可行
几项研究表明，只要能证明它们能承受一定程度的辐射而不产生破坏性后果，就有可能使用不是专门为空间应用设计的器件来设计电子板。典型的最低要求--只要飞行器具有某种程度的临界性，很有可能运行一段时间--对低地轨道卫星（LEO），约为30krad(Si)/闩锁免疫和40-60MeV.cm²/mg，对地球静止轨道卫星（GEO），为50-100krad(Si)和60-80MeV.cm²/mg。
研究得出的结论是，与使用可靠性高、抗辐射加固性能高、符合飞行任务需要的组件相比，这种方法成本更高，耗时更多，而且最终出现问题的风险更大。
评估器件抗辐射能力
许多参数都会影响元器件的辐射加固能力，包括技术（双极、CMOS、SOI、SiC）和几何形状。包括双极性技术在内的一些技术，对达到总电离剂量（TID）所需的krad(Si)水平速率很敏感，意味着需要特定的增强低剂量率（ELDR）测试。数字CMOS的TID会随着小到65nm左右的技术而提高。满足抗辐射要求通常需要特定的设计，具有专用的架构（冗余，如三重多数表决、错误检测和纠正、EDAC）、布局及特定工艺。
无论抗辐射性能如何，对于应用设计者来说，能够获得辐射报告的详细描述至关重要。
增强电气规格
常见的规格改进包括电源电压、输出电流（如在功率IC中）、最高温度、RDS(ON)（在MOSFET中）或最小增益值（双极晶体管）的最大限制，所有这些都是在寿命开始时，但也可能是在老化或暴露于辐射后。
元器件规格可以帮助设计人员处理最坏情况的另一种方法是使用绝对最大额定值（AMR），特别是当这种条件是由其他元件的故障引起。最大额定值定义了参数得到保证的区间，在这个限值内，电气规范不再适用，但器件仍然保持功能，而且超过这个限值的“临时偏移”不会影响部件的可靠性。
集成将发挥重要作用
空间用元器件的关键特征是抗辐射加固--包括故障模式的表征、确保大安全工作区（SOA）的扩展电气规格和适应航天器任务特征的质量保证。不可忽视的是，集成与辐射加固和扩展SOA相结合，对提高电子发展速度、提高性能和降低拥有成本有成倍的贡献。通过减少元件的数量，集成本质上简化了应用设计，包括对温度和辐射暴露的最坏情况分析以及故障模式的识别。
集成通常意味着可配置性/可编程性，以确保通用性，通过重复使用完整的子系统来进一步简化。此外，减少电路板上的元件数量从本质上改善了其故障时间（FIT）数字。
集成案例
作为熔断器结构的替代方案，欧洲航天局（欧空局）于20世纪90年代推出了闭锁限流器（LCL），如图1所示。它们将功率从航天器的主总线分配到相关负载，在启动期间（负载输入滤波器充电）和负载故障状态下，提供可控开关能力和过载保护。
在正常（稳态）情况下，其行为就像相关负载的小型串联电阻。在过载或输入滤波充电的情况下，则提供了一个可控的电流限制，如果过载条件持续存在，在预定的时间后，打开相关电路以断开负载（图2）。
图2 LCL在过载条件下
LCL大大简化了配电设计。LCL比保险丝更精确、更可预测，限制了最大额定电流的安全裕度，从而减少了线束的尺寸，使其在额定操作（更低的电流）和故障情况下（更平稳的电流峰值）的EMC行为“更干净”。然而，由于负载和任务的多样性，以及多种最坏情况下的条件，LCL的离散实施一直很困难。这些困难导致欧空局发布了LCL设计者指南，然后发出招标书，要求开发和制造灵活的集成解决方案。
意法半导体（ST）设计的RHRPMICL1A是一款符合QML V标准的器件，包含了许多简化空间电子设计的功能，并具有可配置性，可保证在各种设计中重复使用；具有100krad(Si)的抗辐射加固保证（RHA）能力，对ELDR敏感度和重离子闩锁免疫，并能在70MeV.cm²/mg的条件下快速恢复。它的规格是在一个扩展的操作区域，与浮动接地和内部齐纳二极管提供最大建议电源高达52V和绝对最大额定值90V。
图3：RHFPMICL1A
与选定的外部元件（图3）一起使用，可以安全地承受更高的电压，允许直连到卫星中的100V电源总线；集成了固态电源开关（SSP）的所有功能，配合外部MOSFET，可以成为LCL设计的双芯片解决方案；专用的配置I/O和三种用户可配置的模式使其适合于实现纯电流限制；可防止无法关断的重要负载出现闩锁时的故障传导；跳闸功能允许负载在过流条件没有破坏性时恢复运行。