用于太空应用的抗辐射电路设计与优化

2023-09-11 12:26:41 来源:EETOP

巴西科技部 (MCTIC) 有一个研究单位 Renato Archer 信息技术中心 (CTI),该中心的两名集成电路工程师在今年五月的 MunEDA 用户组会议上介绍了利用 RHBD(抗辐射设计)技术为空间应用设计锁存电流限制器 (LCL) 电路的课题。

小型卫星在恶劣的环境中运行,但由于重量要求低,没有足够的屏蔽。因此,电子电路必须使用按工艺 (RHBP) 或按设计 (RHBD) 进行辐射加固技术。

LCL 是一种智能电源开关,可保护电子系统,通过限制电流隔离配电故障。这可以保护卫星中的天基电子设备免受辐射影响,例如:

  • 总电离剂量 (TID)
  • 位移损坏 (DD)
  • 单事件效应 (SEE)
  • 单事件闩锁 (SEL)

在 MUGM2023 贡献中,作者展示了三种 LCL 设计以及 MunEDA WiCkeD 如何为其 RHBD 电路优化做出贡献:

  • 控制电路采用 0.6u SOI 技术,采用分立功率晶体管 Infineon IRF4905
  • 0.6u SOI技术多芯片模块中的控制电路和功率晶体管
  • 采用 0.18u 标准 CMOS 技术、采用分立式 GaN 功率晶体管 GS61008T 的控制电路

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LCL智能电源开关图

为了通过抗辐射设计减轻辐射效应 (RHBD),做出了几项决定:

  • 沟槽隔离和保护环,以减少漏电流
  • 用封闭式布局晶体管(ELT)取代标准 MOS 晶体管布局,以消除因电荷在氧化物区域积累而造成的漏源漏电流(TID)
  • 器件冗余以提高容错能力
  • 使用 MunEDA WiCkeD 优化 LCL 电路的性能和鲁棒性,使其不受参数和工艺变化的影响

设计了两种电路版本,一种采用标准晶体管,另一种采用抗辐射设计 (RHBD) 技术。

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具有封闭式布局晶体管 (ELT) 的冗余结构

使用的 EDA 工具有:用于原理图设计的 Cadence Virtuoso、用于优化的 MunEDA WiCkeD 以及用于 DRC/LVS 的 Cadence Assura 或 西门子Calibre。在该项目中使用 WiCkeD 的优势在于:

  • 缩短设计时间和工程工作量
  • 针对性能和稳健性优化了 LCL 的所有关键模块:运算放大器、带隙电压基准电路、电流基准、比较器、驱动器、电流传感器、控制环路、定时器、遥测电路、热关断和稳压器。
  • 大电路控制环路优化:限制短路峰值电流使得功率晶体管旁边的电感器成为必要,从而带来了稳定性问题,必须通过使用 WiCkeD 优化整个控制环路来解决这些问题
  • 提高精度
  • 利用 ELT 和冗余设计使 Rad Hard By Design 的性能与标准晶体管版本相同
  • 所有 LCL 电路均按设计运行

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RHBD 电路的性能与标准晶体管电路类似,因此两种 LCL 电路在不同负载和功率晶体管下都能正常工作。消除了短路峰值电流,保证了整个系统的安全。他们计划进行辐射测试来验证所使用的加固电路技术。

总结

事实证明,在 LCL 电路中使用 RHBD 方法可以有效消除短路峰值电流,从而使电子系统在太空运行时免受故障模式的影响。

文章来源:EETOP编译自semiwiki


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