电子电路在空间应用中面临的挑战

为了为这次讨论奠定基础，让我提出这样的场景：想象自己是一名宇航员，坐在NASA猎户座飞船的乘员舱里。你坐在火箭上，正在逐步完成火星之旅的最终设备清单，期待有史以来最大的火箭——美国宇航局太空发射系统——点燃的最后倒计时。你坐在384英尺高的空中，这是一个巨大的130公吨配置，这是历史上最有能力和最强大的运载火箭。当你听到“先生们，我们有点火”这句名言时，你将有9万磅的推力将你推向外太空。猎户座宇宙飞船旨在将人类带到火星和深空，那里的温度可以接近2°C，辐射是致命的，你将以高达2000，20英里/小时的速度旅行。

现在问问自己，为您的航天器的控制系统选择了什么质量等级的电子元件？高可靠性和具有空间传统的设备是为空间级应用选择组件的关键因素。NASA通常会指定1级，合格的制造商列表V类（QMLV）设备，他们总是会询问是否有更高的质量级别可用。了解美国宇航局用于识别太空飞行应用的电子元件的广泛选择过程，人们应该有信心坐在火箭上。

航天器的恶劣环境条件和对电子设备构成的危险

空间电子设备要克服的第一个障碍是运载火箭施加的振动。火箭在发射过程中对火箭及其有效载荷的要求是严峻的。火箭发射器会产生极端的噪音和振动。从字面上看，有成千上万的事情可能会出错并导致一团火焰。当卫星在太空中与火箭分离时，卫星的主体结构会发生大的冲击。烟火冲击是当结构发生爆炸时发生的动态结构冲击。热冲击是结构对高频、高幅度应力波的响应，这些应力波由于炸药而在整个结构中传播，就像卫星弹射或多级火箭两级分离中使用的应力波一样。热冲击暴露会损坏电路板、短路电气元件或导致各种其他问题。了解发射环境可以更好地理解冲击和振动要求，以及对设计用于空间级应用的电子元件的检查。

除气是另一个主要问题。塑料、胶水和粘合剂可以而且可以脱气。塑料设备产生的蒸汽会在光学设备上沉积材料，从而降低其性能。例如，汽车塑料仪表板会释放出在挡风玻璃上沉积薄膜的蒸汽。这是我可以从个人经验中证明的一个实际例子。使用陶瓷而不是塑料组件可以消除电子产品中的这个问题。挥发性有机硅在低地球轨道（LEO）的释气会在航天器周围产生一团污染物。除气、排气、泄漏和推进器发射造成的污染会降解和改变航天器的外表面。

表面上的高污染会导致静电放电。卫星容易受到充电和放电的影响。因此，空间应用需要没有浮动金属的部件。卫星充电是卫星的静电势相对于卫星周围低密度等离子体的变化。充电的程度取决于卫星和轨道的设计。负责充电的两种主要机制是等离子体轰击和光电效应。已知高达20，000 V的放电发生在地球同步轨道上的卫星上。如果不采取保护性设计措施，静电放电（来自空间环境的能量积聚）可能会损坏设备。用于地球同步地球轨道（GEO）的设计解决方案是用导电材料涂覆卫星的所有外表面。LEO中的大气由约96%的原子氧组成。氧气以不同的形式存在。我们呼吸的氧气是O2。O3存在于地球的高层大气中，O（一个原子）是原子氧。原子氧可以与航天器外部的有机物质反应并逐渐损坏它们。在美国宇航局的第一次航天飞机任务中注意到原子氧的材料侵蚀，其中原子氧的存在引起了问题。航天飞机材料看起来很冷，因为它们实际上被原子氧的存在侵蚀和纹理化了。NASA通过开发一种不受原子氧反应的薄膜涂层来解决这个问题。塑料对原子氧和电离辐射相当敏感。耐原子氧的涂层是塑料的常用保护方法。另一个障碍是航天器遇到的非常高的温度波动。绕地球运行的卫星可以分为两个阶段;日照阶段和日食阶段。在阳光照射阶段，卫星被太阳加热，当卫星绕地球的背面或阴影侧移动时，温度可以变化多达300°C。 由于它离太阳更近，GEO静止轨道卫星的温度波动将远远大于LEO卫星的温度变化。

有趣的是，在月球白天和黑夜，月球表面的温度可以在–200°C至+ 200°C左右变化。 这让你想知道一个人怎么可能在月球上行走。同样，陶瓷封装可以承受反复的温度波动，提供更高水平的气密性，并在更高的功率水平和温度下保持功能。陶瓷封装在恶劣环境中提供更高的可靠性。那么如何消散电子设备产生的热量呢？电子设备的精度和预期寿命会因持续的高温而降低。传热有三种方式：对流、扩散和辐射。在太空的真空中，没有发生热对流或传导。辐射传热是在真空中传递热量的主要方法，因此通过将热量辐射到太空来冷却卫星。

太空的真空是锡须的有利环境，因此违禁材料是一个问题。禁止在太空中的IEEE部件和相关硬件上使用纯锡，锌和镉电镀。这些材料会受到晶须的自发生长的影响，从而导致电气短路。锡须是锡的导电晶体结构，有时会从使用锡作为最终饰面的表面生长。具有纯锡引线的设备可能会遭受锡须现象的影响，从而导致电气短路。使用铅基焊料可消除在高应力应用中使用器件时发生短路的风险。最后，空间辐射环境会对航天器电子设备产生破坏性影响。航天器可能遇到的辐射水平和类型差异很大。在低地球轨道、高椭圆轨道、地球静止轨道和行星际飞行任务上飞行的任务具有截然不同的环境。此外，这些环境正在发生变化。辐射源受太阳活动的影响。太阳周期分为两个活动阶段：太阳极小期和太阳极小期。您的航天器任务是在太阳极小期、太阳极盛期还是两者兼而有之？这里的关键点是，太空中的环境大不相同。对运载火箭的要求与地球静止卫星或火星探测器的要求大不相同。每个太空计划都必须在可靠性、辐射耐受性、环境压力、发射日期和任务的预期生命周期方面进行评估。

40多年来，ADI公司一直为航空航天和国防市场提供高可靠性器件支持。重点领域包括电子战、雷达、通信、航空电子设备、无人系统以及导弹和智能弹药应用。今天的重点是太空市场。ADI公司拥有深度和广度的技术，涵盖传感器、放大器、RF和微波器件、ADC、DAC和输出器件等整个信号链，为航空航天和国防工业的挑战性要求提供解决方案。

208年，卫星行业的收入为2015亿美元。卫星产业有四个部分：卫星制造、卫星发射设备、地面设备和卫星服务。卫星服务是迄今为止最大的细分市场，并继续成为整个卫星行业的关键驱动力。那么，卫星最近为你做了什么？我相信大多数人都会惊讶于现代生活对卫星服务的依赖程度。如果目前运行的1381颗卫星碰巧关闭，现代生活将受到严重干扰。全球金融、电信、交通、气象、国防、航空和许多其他部门严重依赖卫星服务。卫星服务市场有三个主要部分：卫星导航、卫星通信和地球观测。导航卫星用于导航信号和数据的全球分布，以提供定位、定位和授时服务。可用服务的例子包括交通管理、测绘、车队和资产管理以及自动驾驶技术——无人驾驶汽车和卡车有望成为下一件大事。电信卫星或卫星通信的例子是电视、电话、宽带互联网和卫星广播。这些系统可以在发生破坏地面电信网络的灾难时提供不间断的通信服务。商务和商用飞机机上互联网和移动娱乐都是不断增长的细分市场。地球观测卫星用于传输环境数据。对地球的天基观测促进了可持续农业，并有助于应对气候变化、土地和野生生物管理以及能源资源管理。地球观测卫星有助于保护水资源和改善天气预报，因此卫星服务的范围非常广泛且不断增长。

那么卫星上使用什么类型的电子系统呢？航天器的基本要素分为两部分：平台或总线和有效载荷。该平台由支持有效载荷的五个基本子系统组成：结构子系统、遥测子系统、跟踪和指挥子系统、电力和配电子系统、热控制子系统以及姿态和速度控制子系统。结构子系统是机械结构，提供刚度以承受应力和振动。它还为电子设备提供辐射屏蔽。遥测、跟踪和命令子系统包括接收器、发射器、天线、温度、电流、电压和罐压传感器。它还提供各种航天器子系统的状态。电力和配电子系统将太阳能转换为电能，并为航天器电池充电。热控制子系统有助于保护电子设备免受极端温度的影响。最后，姿态和速度控制子系统是轨道控制系统，它由传感器组成，用于测量飞行器方向和执行器（反作用轮、推进器），并施加将飞行器定向到正确轨道位置所需的扭矩和力。姿态和控制系统的典型组件包括太阳和地球传感器、星形传感器、动量轮、惯性测量单元 （IMU） 以及处理信号和控制卫星位置所需的电子设备。

有效载荷是支持主要任务的设备。对于GPS导航卫星，这将包括原子钟，导航信号发生器以及高功率RF放大器和天线。就电信系统而言，有效载荷将包括天线、发射器和接收器、低噪声放大器、混频器和本振、解调器和调制器以及功率放大器。地球观测有效载荷将包括用于天气预报的微波和红外探测仪器、可见红外成像辐射计、臭氧测绘仪器、可见光和红外照相机以及传感器。

几年前ADI公司和赫梯微波的集成现在使我们能够覆盖直流至110 GHz频谱。ADI解决方案包括导航、雷达、6 GHz以下通信系统、卫星通信、电子战、微波频谱雷达系统、雷达系统和毫米波频谱卫星成像。ADI公司提供1000多种元件，涵盖所有RF和微波信号链及应用。Hittite 的全系列射频功能块、衰减器、LNA、PA 和射频开关与 ADI 的高性能线性产品、高速 ADC、DAC、有源混频器和 PLL 产品组合相结合，可提供端到端系统解决方案。

自然空间辐射环境对电子设备的影响

对电子设备的辐射效应是空间级应用的主要关注点。在地球大气层的保护层之外，太阳系充满了辐射。自然空间辐射环境会损坏电子设备，其影响范围从参数性能下降到完全功能故障。这些影响可能导致任务寿命缩短和重大卫星系统故障。靠近地球的辐射环境分为两类：被困在范艾伦带中的粒子和瞬态辐射。被困在范艾伦带中的粒子由高能质子、电子和重离子组成。瞬态辐射由银河宇宙射线粒子和太阳事件粒子（日冕物质抛射和太阳耀斑）组成。辐射影响卫星电子学有两种主要方式：总电离剂量（TID）和单事件效应（SEE）。TID 是一种长期故障机制，而 SEE 是一种瞬时故障机制。SEE以随机故障率表示，而TID是可以用平均故障时间来描述的故障率。

TID是设备在任务生命周期内与时间相关的累积电荷。通过晶体管的粒子在热氧化物中产生电子空穴对。累积的电荷会产生漏电流，降低器件的增益，影响时序特性，在某些情况下，还会导致完全的功能故障。总累积剂量取决于轨道和时间。在LEO中，辐射的主要来源是电子和质子（内带），而在GEO中，主要辐射源是电子（外带）和太阳质子。值得注意的是，器件屏蔽可用于有效减少TID辐射的积累。

SEE是由单个高能粒子穿过设备并在电路中注入电荷引起的。通常，SEE分为软错误和硬错误。

联合电子设备工程委员会（JEDEC）将软错误定义为由高能离子撞击引起的非破坏性功能错误。软错误是 SEE 的一个子集，包括单事件翻转 （SEU）、多位翻转 （MBU）、单事件功能中断 （SEFI）、单事件瞬变 （SET） 和单事件闩锁 （SEL）。SEL是指CMOS阱中寄生双极性作用的形成在电源和接地之间产生低阻抗路径，从而产生高电流条件。因此，SEL 可能会导致潜在和硬错误。

软错误的例子是位翻转或存储单元或寄存器状态的变化。SET是由高能粒子注入器件的电荷产生的瞬态电压脉冲。这些瞬态脉冲会导致SEFI。SEFI是软错误，导致组件以可检测的方式复位、锁定或其他故障，但不需要设备电源循环即可恢复可操作性。SEFI通常与控制位或寄存器中的扰动有关。

JEDEC 将硬错误定义为操作中不可逆的变化，通常与器件或电路的一个或多个元件的永久性损坏（例如，栅极氧化物破裂或破坏性闩锁事件）有关。该错误很难，因为数据丢失，组件或设备不再正常工作，即使电源复位也是如此。SEE 硬错误具有潜在的破坏性。硬错误的示例包括单事件闩锁 （SEL）、单事件门破裂 （SEGR） 和单事件烧毁 （SEB）。SEE的硬错误可能会损坏设备，降低总线电压，甚至损坏系统电源。

技术趋势和辐射效应

就卫星有效载荷而言，仪器变得越来越复杂。曾经，通信卫星基本上是弯曲的管道中继器架构，可以中继信号。如今，它们是多波束的，并具有板载处理（OBP）架构。更复杂的电子设备意味着更大的辐射效应风险。大容量、小型卫星星座正在使用更多的商业级塑料部件。商用现货（COTS）设备通常对辐射效应更敏感。同样，对于小型卫星，电子设备的结构质量屏蔽较少。使用更精细的IC几何形状和更薄的氧化物，降低了对TID辐射效应的敏感性，并提高了TID耐受性。另一方面，SEE随着IC缩放的减少而增加。生产SET和SEU所需的能量更少。

使用更高频率的设备，SET可以变成更多的SEU，从而增加SEFI的数量。用于处理更高速瞬态信号的缓解技术可能更具挑战性。

ADI公司为支持空间级应用所做的努力

航天产品事业部利用ADI公司的器件产品组合为航天工业提供支持。我们拥有专有的绝缘体上硅 （SOI） 工艺，可为空间级应用提供耐辐射性。在某些情况下，我们修改核心硅以增强设备的辐射耐受性。我们还能够将设计移植到抗辐射的SOI工艺中。我们将芯片集成到密封陶瓷封装中，并在扩展的军用温度范围内表征器件。我们的目标是使用国防后勤局 （DLA） 用于单片设备的 MIL-PRF 38535 系统和用于 K 类混合和多芯片模块的 MIL-PRF 38534 开发和发布完全合格的 S 类 QMLV 产品。对于辐射检测，我们目前提供高剂量率（HDR）和低剂量率（LDR）测试模型，对于新产品发布，我们提供单一事件效应测试数据。

ADI公司提供商业、工业、增强产品（EP）、汽车、军事和空间认证器件。EP器件旨在满足关键任务和高可靠性应用，主要用于航空航天和国防市场。其他产品等级包括军用级单片器件、多芯片模块、QMLQ 和 QMLH 器件、空间合格单片器件以及根据军用规范设计的多芯片模块，如 QMLV 和 QMLK 器件。ADI公司还为开发混合或多芯片模块解决方案的客户提供符合空间要求的K类芯片。根据标准航空航天数据表和客户源代码控制图提供符合 K 级标准的芯片。

我们提供EP、塑料封装器件，旨在满足关键任务要求和高可靠性应用要求。根据客户的意见，我们正在为太空应用启动一个新的设备产品类别，我们将其定义为增强型产品加（EP+）设备。我们的客户需要改进尺寸、重量、功率、更高的性能、更宽的带宽、更高的工作频率、有效载荷灵活性和优化的可靠性。航天器设计人员被迫使用商业设备，以便在越来越小、功耗更低、成本越来越低的航天器中实现高水平的性能。空中的互联网就是一个很好的例子。据估计，世界上60%的人口无法访问互联网。为了应对这一市场，公司正计划在环绕地球的小型低成本卫星星座中部署大型星座，以便能够访问全球通信网络。ADI公司正在与客户合作定义EP+，以应对这一不断发展的新市场。EP 为高可靠性应用提供 COTS 解决方案，无需额外的定制上筛选成本。EP 是塑料封装器件，军用温度范围为 –55°C 至 +125°C。 除了要求扩展温度范围外，EP 客户还要求器件无铅和无晶须。它们要求器件具有受控的制造基线、独立的数据手册和 EP 更改通知流程。这些设备在国防后勤局文档系统下还具有关联的 V62 供应商项目图纸。当前发布的EP由特殊的EP后缀标识，并具有单独的独立数据表。

如前所述，ADI公司还在开发一种用于空间级应用EP以及LEO系统和高空应用的新器件概念。我们目前支持针对源代码管理图形的 EP+。ADI希望为空间级应用提供标准COTS级器件。通过EP+方法，我们设想了一种介于标准EP设备和军用883级设备之间的设备，为空间级应用提供COTS解决方案，而无需额外的定制升级成本。通过EP+方法，我们可以生成COTS器件，并提供晶圆批次可追溯性和特定批次的辐射检测数据。

关键问题是确定可靠性和成本之间的适当平衡，如图1中的曲线所示。需要的筛选越多，单位成本就越高。在定义这一新产品类别时，卫星行业和ADI公司目前面临的挑战是定义空间级应用中使用的商用器件的最佳筛选水平与成本点。

图1.可靠性测试和检验推动了电子元件成本。

总而言之，ADI公司的目标是为空间级应用提供完整的产品，而不仅仅是一个元件。

我们提供业界最全面的产品组合，具有行业领先的设备可靠性

我们提供单批日期代码采购

先进的封装和表征，可应对严峻的环境挑战

金和锡铅热焊浸铅表面处理，以解决锡须问题

我们提供无违禁材料认证

全面的材料可追溯性符合性证书

全面的QMLV飞行单元测试报告

电气性能在 –55°C 至 +125°C 的扩展温度范围内进行了生产测试

我们提供完全合格的QMLV设备，具有100%筛选和质量一致性检查

我们提供辐射合格的设备...HDR，LDR，参见

较长的产品生命周期是ADI公司业务战略的基石

我们拥有专门的航空航天和国防团队，提供产品支持和应用支持

ADI公司目前提供90多种标准通用空间合格器件，包括350多种不同等级和封装的型号。一些新的空间合格产品是ADA4084-2S、ADA4610-2S和ADuM7442S器件。

5962R1324501VXA （ADA4084AF/QMLR） 是一款新型低噪声、低功耗、空间级精密放大器，作为 QMLV 空间级器件提供，可针对 SMD 图纸提供。该器件具有10 MHz单位增益带宽和轨到轨输入和输出。这些放大器非常适合需要交流和精密直流性能的单电源应用。

5962R1420701VXA （ADA4610-2BF/QMLR） 是空间级、双通道、精密、极低噪声、低输入偏置电流、宽带宽 JFET 器件。这些放大器特别适用于高阻抗传感器放大和精确电流测量。

ADuM7442R703F是一款符合空间标准的25 Mbps四通道数字隔离器，具有三个正向通道和一个反向通道。这些设备提供双向通信。符合空间标准的器件提供电流隔离，这意味着输入和输出电路没有直接的电气连接。与竞争解决方案相比，它们在尺寸、重量、功率和可靠性方面具有优势。

审核编辑：郭婷