ЖУРНАЛ СТА 3/2013

крышке преобразователя нужно при- нять во внимание, так как космический аппарат часто должен соответствовать требованиям к содержанию летучих конденсируемых веществ (Collected Vo- latile Condensable Material – CVCM) и устойчивости к дегазации, измеряемой по общей убыли массы (Total Mass Loss – TML). И если преобразователь планируется использовать в составе бортового оборудования космического аппарата, он должен выдерживать воз- действие радиации. Р АДИАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ В КОСМОСЕ Ионизирующее излучение космиче- ского пространства включает в себя ионизирующие излучения низкой и вы- сокой интенсивности, протоны и ионы солнечных и галактических космичес- ких лучей, вызывающие в изделиях электронной техники одиночные эф- фекты и структурные повреждения кри- сталлической решётки из-за смещения атомов (Displacement Damage) при воз- действии высокоэнергетических час- тиц. В космическом пространстве по- стоянно присутствуют ионизирующие излучения, и преобразователь должен быть сконструирован так, чтобы функ- ционировать в этой враждебной окру- жающей среде. При путешествии в течение 8 месяцев марсохода Curiosity к Марсу он подвергался трём значитель- ным всплескам солнечных космических лучей (СКЛ, или Solar Mass Ejections – SME) наряду с непрерывным воздей- ствием галактических космических лучей. Космическая радиация состоит из потоков высокоэнергетических прото- нов, или α -частиц, высокоэнергетиче- ских электронов, или β -частиц, ней- тронов, тяжёлых ядер, а также электро- магнитных полей, γ -излучения и рент- геновских лучей. Её воздействие может быть непосредственно ионизирующим или косвенно ионизирующим. Иони- зирующее излучение может служить причиной повышения напряжения и тока смещения в биполярных усилите- лях и компараторах, уменьшения поло- сы пропускания биполярных усилите- лей, уменьшения коэффициента усиле- ния у биполярных транзисторов, отри- цательного смещения затвора MOSFET- транзисторов. Нейтроны вызывают ионизирующее излучение косвенно, когда они взаимодействуют с полупро- водниковыми приборами, что приво- дит к нестабильности атомов, которые излучают гамма- или альфа-частицы при радиоактивном распаде. Структурное повреждение кристал- лической решётки из-за смещения ато- мов является результатом воздействия неионизирующего излучения, когда высокоэнергетическая частица вызыва- ет разрушение в полупроводниковой кристаллической решётке, образуя за- хватывающие узлы и сокращая время существования носителей при малой их концентрации. В отличие от поврежде- ний, создаваемых ионизирующим из- лучением, такое структурное поврежде- ние часто является постоянным (не- обратимым). Структурное повреждение кристаллической решётки ухудшает характеристики устройств, чувствитель- ных к световому потоку, уменьшая коэффициенты передачи тока и снижая коэффициенты усиления транзисторов, особенно при низких плотностях тока, и может понижать коэффициент реком- бинации во многих полупроводнико- вых устройствах с дополнительной при- месной электропроводностью. Одиночные эффекты тоже являются значительной проблемой для преобра- зователей, предназначенных для при- менения в космической аппаратуре. Они проявляются, когда высокоско- ростная частица сталкивается с устрой- ством и передаёт ему свою энергию. Степень повреждения зависит от массы частицы, скорости и вещества, с кото- рым она сталкивается. Результатом может быть изменение состояния логи- ческих устройств или прекращение функционирования устройства вслед- ствие разрушительного радиационного защёлкивания транзисторов в пропус- кающем состоянии, что часто наблюда- ется у КМОП- и БиКМОП-устройств. Общепринятая классификация оди- ночных эффектов подробно представ- лена, например, в [4] и [5]. М ЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ С учётом описанных подходов к разра- ботке и в целях уменьшения влияния дестабилизирующих факторов космиче- ского пространства сложилась методо- логия проектирования преобразователей напряжения для бортового оборудова- ния космических аппаратов, включаю- щая в себя перечисленные далее пункты. ● Обеспечение значительного огра- ничения допустимых значений на- пряжения для активных устройств. ● Использование токоограничиваю- щих резисторов. ● Выбор топологии для источников с высоким импедансом (обратноходо- вая или снабжаемая током тополо- гия). ● Применение транзисторов MOSFET, стойких к эффекту пробоя подзатвор- ного диэлектрика (Single Event Gate Rapture – SEGR) и к импульсному изменению напряжения ( dV / dt ). ● Проектирование с учётом резкого уменьшения коэффициента усиле- ния транзистора при воздействии ра- диации. ● Применение микросхем ограничен- ной сложности (низкой степени ин- теграции). ● Применение схем с биполярными усилителями, которые менее чувстви- тельны к ионизирующему излучению. ● Применение схем, которые допу- скают значительные изменения на- пряжения смещения и тока смеще- ния. ● Управление выключениемMOSFET- транзисторов отрицательным напря- жением затвор–исток ( V gs ) для ком- пенсации пороговых смещений при наихудшем сочетании дестабилизи- рующих факторов. ● Испытание и отбор на стойкость всех чувствительных к радиации компо- нентов. Проверка с отбраковкой компонентов на радиационную стойкость преподно- сит свой собственный набор проблем , связанных со стоимостью времени ис- пытаний на ускорителях частиц, радио- активной природой нейтронов и про- должительностью времени испытаний, требуемой для определения характери- стик устройства при низких интенсив- ностях ионизирующего излучения, наблюдаемого в космическом про- странстве (мощность дозы ниже 10 –3 –10 –2 рад (SiO 2 )/с). М ОДУЛИ ПИТАНИЯ ДЛЯ МАРСИАНСКОЙ МИССИИ Разработка устройства для миссии на Марсе была связана с решением мно- жества уникальных проблем, которые требовали всестороннего понимания физики процессов, материаловедения, особенностей передачи тепла и косми- ческого излучения, а также анализа состояний на схемном уровне и приме- нения методологии проектирования для уменьшения влияния специфиче- ских дестабилизирующих факторов космического пространства. АППА Р А Т НЫЕ С Р Е ДС Т В А / ИС ТОЧНИКИ ПИ Т АНИЯ 91 СТА 3/2013 www.cta.ru © СТА-ПРЕСС