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工控机箱在航空航天应用的高性能集成电路

发布时间:2019-11-05来源:迈肯思关键词标签:

 

在每个通信系统中,模数转换器(ADC)及其对应的数模转换器(DAC)都是必不可少的。对于具有大量转换器的航空电信有效载荷,质量和功耗非常重要。此外,有效载荷中包含ADC使得设计(抖动,量化噪声)有新的折衷。

空间要求

航天电子设备的第一个障碍之一是在发射和更高发射阶段产生的振动。例如,当卫星和火箭之间存在间隔时,由于烟火冲击会在车身结构中发生许多振动。

脱气是另一个问题。从塑料设备中散发出的蒸气会在光学设备上沉积有害物质,从而降低其性能。地球的轨道会在航天器周围造成大量污染物的云团,这些污染物会导致静电释放。卫星容易受到导致静电势变化的电荷流的影响。为了防止这些影响,太空应用需要不带浮动金属的组件(例如“浮动门”)。

卫星表面上的浮动电荷的主要机制主要是由于光电效应。大约20kV的放电电压发生在地球同步轨道上的卫星上。这些放电会产生能量积累,可能会损坏设备。一种设计解决方案是用导电材料覆盖卫星的所有外表面。

各个轨道中的大气由约95%的原子氧组成,这些原子氧可与位于航天器外部的有机材料发生反应,从而逐渐破坏结构。美国国家航空航天局(NASA)的航天飞机的首次飞行任务中注意到了原子氧对材料的侵蚀,其中原子氧的存在引起了设备微电子学中的若干问题。美国国家航空航天局(NASA)通过开发对原子氧反应不敏感的薄膜涂层解决了这一问题。

另一个障碍是在不同空间环境中发生的非常高的温度变化。特别地,可以在两种应用情况下考虑空间环境:当太阳照射时和日食时。在第一种情况下,温度可能会超过200°C。由于它离太阳更近,因此GEO(对地静止地球轨道)静止轨道上的卫星的温度波动将比LEO(低地球轨道)上卫星的温度变化高得多。在其他情况下,达到冻结温度。例如,在月球上,表面温度可以在-150°C至+ 150°C之间变化。这些温度变化会促进电子组件的退化。因此,有必要在散热方面优化其质量。在空间的真空中,没有热对流或热传导。放射性传热是将热量传递到真空中的主要方法,因此,通过向太空辐射热量来冷却卫星(图1)。

地球周围空间中的典型环境。

图1:地球周围空间中的典型环境。(来源:美国国家航空航天局)

取决于轨道,辐射的水平和类型有很大的不同。必须评估每个太空计划的可靠性,耐辐射性,环境压力,发射日期和任务的预期寿命。空间辐射环境会对航天器的电子设备产生不利影响。

晶体管的场效应(如MOSFET)和双极结(BJT)均会发生辐射损坏。对于MOSFET,电离是由影响二氧化硅(绝缘层)的带电粒子引起的。它通过将电子-空穴对引向氧化硅界面来诱发电子-空穴对的断裂,在电子界面上产生“陷阱”状态,从而减少了实际载流子的数量,从而降低了晶体管的阈值电压。相反,在BJT中,这些粒子增加了基极电流,因此降低了总增益(图2)。

瞬态电流或电压尖峰可能会通过逻辑门传播,并导致系统故障。

图2:瞬态电流或电压尖峰可能会通过逻辑门传播,并导致系统故障。(来源:作者)

辐射的影响可分为两大类:

  • 累积效应
  • 单事件效果(SEE)

这些年来累积的损害是无法挽回的损害,使空间装置中的电子设备无法使用。这些损坏在实验室中是可以预测的,这使我们能够为每架飞机建立有用的平均寿命估算。我们可以根据总电离剂量(TID)和位移损失(DD)区分它们。

另一方面,单事件效果(SEE)不可预测,并且可以随时出现在电子设备和太空之间。EEA分为两类:瞬态效应(或软错误),例如单事件瞬态(SET)和单事件翻转(SEU);灾难性影响,例如单事件倦怠(SEB),单事件门破裂(SEGR)和单事件闩锁(SEL)。

空间数据转换

在不断发展的数字世界中,空间环境中数字数据的处理和传输对于正确编码和解密数据至关重要。使用符合空间要求的组件必须是设计过程中不可或缺的一部分。ADC的评估参数如下:

  • 位分辨率:它是转换器本身可以在输出中提供的位数。
  • 转换时间:这是转换器输出数字转换结果所需的时间。时间可能从经济型ADC的几微秒到闪存ADC的几ns不等。
  • 输入信号范围:驱动器可以接受的电压或电流范围。

EV12AQ600是 带有交叉点开关(CPS)的12位Teledyne ADC ,是欧盟INTERSTELLAR项目的一部分。该ADC允许器件同时操作其四个内核,以达到6 GS / s的采样率。工程师可以设计独立或同步使用EV12AQ600的系统,包括每秒四通道1.5Giga采样(GSPS),双通道3 GSPS或单通道6 GSPS(图3)。

EV12AQ600的框图

图3: EV12AQ600的框图(来源:Teledyne e2v)

意法半导体的抗辐射数据转换器非常适合一系列卫星应用,包括地质应用的成像。该解决方案采用陶瓷包装,符合防辐射要求和合格标准,该质量要求包括在QML-V和EPPL清单中。RHF1201是一款12位,50 MS / s的模数转换器,采用简单的0.25μmCMOS技术来满足太空环境中极低功耗的要求。RHF1201集成了跟踪和保持微电子结构,使其非常适合高达150 MHz的应用(图4)。

EV12AQ600的框图

图4: IC RHF1201的功耗与采样频率的关系(来源:意法半导体)

为了解决航空航天应用的挑战,ADI公司提供了一系列具有MIL-PRF-38535支持的单片密封设备,以实现高QMLV空间质量。用作MIL-STD-883的测试方法,1000小时测试和电屏蔽是空间IC符合性的重要组成部分。在数据转换器领域,我们可以将 分辨率为10位AD9731 DAC和分辨率为14位的AD9246 ADC 划分为 80 MSPS / 105 MSPS / 125 MSPS(图5)。

EV12AQ600的框图

图5: AD9246的框图(来源:Analog Devices)

卫星电源IC

在现代卫星中,集中式电源单元必须提供模块所需的各种电压总线。因此,功率调节单元非常复杂,必须针对每个有效负载进行超低波动的定制。体积和重量,除效率外,还大大增加了太空飞行的费用。任何带有有效载荷的卫星都需要针对每个总线电压电平进行特定的调节和分配。

除质量要求外,用于空间的DC-DC转换器的可靠性还必须满足不同的标准。温度,密封性和符合规格的参数必须通过适当的可靠性测试进行验证。

MIL-PRF-38534还调节耐辐射的天基混合DC-DC转换器。DC-DC空间转换器在SMD上可用,通常用于K类。Microsemi SA系列DC-DC转换器经过设计并符合总电离剂量(TID)和单事件(SEE)的严格空间要求。 。SA组件系列可以与220 Hz的外部频率源进行外部同步。为了确保负载电压的精确调节,可以使用精度低于1%的电压基准分别调节每个输出。SA50-120系列非常适合在支持120 V in的国际空间站(ISS)上使用图6)。

EV12AQ600的框图

图6:用于太空应用的SA50-120的框图(来源:Microsemi)

Intersil为ISL70003ASEH提供3.0V至13.2V的输入电压范围,并集成了低R DS(ON) -MOSFET。对于T J <= + 125°C,连续输出负载电流容量为9A;对于T J <= + 150°C ,连续输出负载电流容量为6A 

ISL70003ASEH 包含一个缓冲放大器,用于产生VREF电压。此外,它在电压模式下使用具有前馈功能的控制架构,并以适当选择的500 kHz或300 kHz频率进行切换。环路补偿可在外部调节,以实现稳定性和动态输出性能之间的最佳平衡(图7)。

硬质低功耗FPGA的配电解决方案

图7:硬质低功耗FPGA的配电解决方案(来源:Intersil)

结论

操作要求使仪器必须在存在噪声,振动和物理创伤的特定条件下工作,这对于设计人员而言并非微不足道的挑战。一个例子是低量化噪声。ADC的模拟输入是具有无限数量可能状态的连续信号,相反,数字输出是具有不同状态的离散功能,其状态取决于器件的分辨率。许多应用需要大量的信号调理以减少噪声,从而增加了动态工作范围。军事和航空航天系统的设计人员不仅面临噪声和数据管理方面的挑战,而且还面临散热方面的挑战。

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  深圳市迈肯思科技有限公司是一家集服务器系统设备的研发、生产、销售、和系统集成为一体的高科技企业。主营产品有: 深圳工控机箱工控机箱工控机箱定做工控机箱订制深圳服务机箱工业机箱1U工控机箱1.5U工控机箱2U工控机箱3U工控机箱4U工控机箱6U工控机箱7U工控机箱服务器机箱服务器机箱定做服务器机箱制作1U服务器机箱2U服务器机箱3U服务器机箱4U服务器机箱 ITX机箱NAS机箱带屏机箱挖矿机箱壁挂式机箱多硬盘机箱带屏热插拔机箱热插拔机箱OEM机箱网络机箱dvr监控机箱1u机箱2u机箱3u机箱4u机箱等各种箱体,控制台等产品。

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