如何克服在芯片上设计耐辐射运动控制系统的挑战

在设计耐辐射运动控制系统片上（SoC）时，需要考虑许多挑战。第一个设计挑战是运动控制系统本身。此类空间应用通常涉及概念化可支持各种运动控制应用的多功能部件。这涉及将电路划分为可实现的功能，这些功能可以在用于特定模块的IC工艺的预期功率和额定电压限制内实现。

下一个挑战是工艺工程师必须找到或开发一种能够有效实施模块的耐辐射工艺技术。由于实现某些模拟功能时所需的接地差和电平转换，运动控制电路模块的电路设计很困难。由于某些普遍可用的设备不可用，电路设计任务更加复杂，这些设备由于其辐射不耐受而无法使用。

因此，电路设计人员必须找到创新技术来解决这些限制。必须为控制器编写数字代码，以实现必要的算法并在测试台上进行验证，并且测试工程师必须证明该部件在极端环境和辐射暴露下的功能。

在本博客中，我们将探讨在空间应用中实现运动控制时的七个主要挑战。

• 系统定义和规范

• 设计分区

• 电路设计

• 工艺开发和表征

• 功能分区和封装设计

• 数字IP模块开发

• 辐射测试

以Microchip的LX7720辐射抗辐射电机控制器和位置传感IC为例，我们将揭示克服这些挑战的方法。

系统定义和规范

系统定义从分析应用程序及其需求开始。在运动控制系统中，通常有一个电动机提供机电能量转换和位置反馈，以监控运动的进度。电机通常是三相无刷直流 （BLDC） 电机或步进电机，通常由卫星总线电源轨供电，范围为 22V 至 150V。可以使用编码器、霍尔效应传感器或旋转变压器监控电机轴的运动。旋转变压器还用于监控天线等结构的旋转。如果执行器的结果是线性运动，则可以使用线性可变差动变压器（LVDT）。由于位置信息通常用于运动控制系统，因此需要具有大功率开关驱动器的集成位置传感接口。对于许多应用，首选具有外部电机驱动开关，以优化电机的电压和电流要求。

这些因素决定了我们的抗辐射设计电机控制IC LX7720的基本要求。

设计分区

划分通用设计方法的第一步是在所有不同的应用程序中寻找共同元素。BLDC 电机需要某种类型的开关设备来排序和调节流向电机线圈的电流。许多应用需要半桥配置的脉宽调制开关。步进电机可以使用高边、低边或半桥驱动器，如果是双极步进电机，则需要两个全桥输出。参见图1。

图 1：两相步进电机配置。

电路设计
 

在设计半桥驱动器时，众所周知，N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）作为开关的性能通常优于同等尺寸的P沟道MOSFET;因此，尺寸和具有成本效益的系统将利用所有NMOS功率开关和浮动高边驱动器。所有闭环电机控制算法都需要电流检测，因为电机转矩与线圈电流成正比。多功能系统设计将提供浮动电流检测，可配置为电源线（高压侧）检测、接地电流检测和电机端子（直列）电流检测。以半桥配置的开关节点为基准的电流检测带来了从大共模电压信号和极快的共模压摆率中提取微小电流检测电压的挑战。

旋转变压器或LVDT等位置传感器由励磁器基准驱动的变压器初级组成。必须对变压器次级进行采样以提取位置信息。称为跟踪转换的闭环系统可以根据加速度、速度和位置误差来补偿已知的延迟。参见图 2。

图 2：旋转变压器和 LVDT

用于控制永磁同步电机（PMSM）的算法与控制步进电机所需的算法有很大不同。多功能系统具有可编程逻辑以适应应用。使用LX7720考虑了上述所有属性的多功能系统如图3所示。

图 3：使用 LX7720 的电机控制系统框图。

工艺开发和表征

运动控制电子元件可分为三个特定的IC工艺要求。由于航天器中的电机可以在高达150V的电压轨下工作，因此需要能够承受这些更高电压的过程。

• 由于MOSFET驱动器通常需要高电流，因此DMOS工艺是最有效的。

• 对于Σ-Δ调制器的信号处理和逻辑，需要具有更高密度和更大带宽的更低电压过程。

• 对于数字配套IC，需要非常小的几何CMOS工艺。

采用非专门设计用于辐射暴露的商业工艺的工艺需要开发特殊的工艺设计套件（PDK）模型，该模型将辐射暴露的影响考虑在内。这涉及将设备暴露在辐射中并对其行为进行建模。当电路设计人员使用这些PDK模型设计电路时，会考虑预期的辐射效应，并有助于使最终的电路拓扑通过设计进行辐射强化。

函数分区和包设计

在该系统中的三个不同IC之间划分的功能的一个示例是浮动电流检测。浮动电流检测利用高压 IC 的宽动态范围与电流检测电阻接口。在高压过程中实现了一个初始增益级，该级将其输出馈送到在5V过程中实现的仪表放大器。5V IC与数字IC共享相同的信号地。一旦电平从浮动高压转换到以地为参考的信号地，就会使用BiCMOS工艺中实现的二阶Σ-Δ调制器对模拟信号进行采样。由于具有较小几何形状的属性，低压工艺可以在更小的空间和更高的带宽下实现功能。调制器的输出是与数字IC电压兼容的数据流。数据流在模拟前端（AFE）和数字IC之间路由时仅消耗一个封装引脚。参见图 4。

图 4：浮动电流检测设计。

在数字IC中，专用IP模块执行sinc3滤波器和抽取功能，其速度可以在AFE 5V工艺中无法支持的速度完成。从检测电阻到数字控制环路的这条流水线充分利用了它所通过的每个IC的独特功能。高压和低压模拟硅芯片可以共同封装为一个器件，从引脚输出来看，LX7720是一个单一的IC。这种芯片的联合封装利用了每种工艺的优势。

数字IP模块开发

使用耐辐射FPGA或MCU以及多功能混合信号IC作为其配套芯片是我们整体系统解决方案方法的精髓。电机控制功能的数字信号处理可以划分为功能块，以提供最大程度的IP重用。可以根据所需的控制算法类型向应用程序添加或删除函数。可以通过设置变量来自定义单个块。参见图 5。控制性能权衡的变量的一个示例是 sinc3 滤波器 IP 模块中的抽取率设置。具有较高过采样率的信号将具有更高的分辨率，但代价是延迟更长。CAD设计工具，如Microchip的Libero® SoC，允许对块进行配置和定制。

 

图 5：延迟和分辨率的抽取权衡

用于 IP 模块开发的设计流程元素：
 

• 确定模块输入和输出

• 指定系统要求

• 开发系统数学模型

• 生成高密度脂蛋白代码

• 创建分层块

• 在顶级进行模拟

• 使用硬件进行测试

辐射测试
 

LX7720的耐辐射性可以通过以约100 rad/sec的速度测试TID至50 krad总电离剂量，使用50.0 rads/sec的增强低剂量率测试ELDRS至0035 krad，以及使用1 x 108 ppm/cm的通量和约85 MeV/mg-cm2的线性能量传递的（SEE）单事件效应来证明。单事件闩锁 （SEL） 是在将电源轨调整到其最大电压水平的情况下测量的。单事件瞬变 （SET） 测试可监控电源轨输入电流和稳压输出电压。我们还监控传感器调制输出和驱动器输出是否存在毛刺和偏移。在卸下电源轨的情况下测试SET的冷备漏洞。对于单事件翻转（SEU），我们运行扫描链测试例程，循环监控锁存数据的完整性。单事件功能中断 （SEFI） 可能发生在上电复位或 UVLO 线路上，这可能会启动错误的复位。

审核编辑：郭婷