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太空应用中的电子电路挑战
为了引出本次讨论，设想如下场景：您是一名宇航员，坐在NASA猎户座飞船的乘员舱中。身处火箭前端，您正逐一完成火星之旅的最终设备检查清单上的任务，等待着超大型火箭——NASA太空发射系统的点火倒计时。这枚性能强大、更具威力的运载火箭高384英尺，重130吨，正蓄势待发。当那句尽人皆知的“点火”指令响起时，920万磅的强大推力将立即把您推向外太空。猎户座飞船的设计初衷是将人类送往火星和外太空，那里的温度可能超过2000℃，辐射量致命，您将以高达20,000英里/小时的速度航行。
那么请问，航天器控制系统选择了什么质量等级的电子元器件？选择太空应用的器件时，高可靠性和太空应用经历是关键考量因素。NASA通常选择1级QMLV（合格制造商清单V类）器件，而且总是会询问是否有更高质量等级的器件可用。了解NASA航天应用电子元器件的严格选型流程，让您安心落座火箭前端。
航天器的恶劣环境条件及其对电子设备造成的危害
太空电子设备要克服的第一个障碍是发射载具带来的振动。火箭及其有效载荷在发射过程中要经受严酷的考验。火箭发射器会产生极大的噪声和振动，还可能出现成千上万的错误，导致火箭爆炸变成火球。当卫星在太空中与火箭分离时，卫星主体结构会承受巨大冲击。爆炸冲击是结构发生爆炸时产生的动态结构冲击。这是结构对高频、高强度应力波的响应；由于爆炸物（比如卫星弹射或多级火箭两级分离时使用的炸药）的作用，这些应力波在整个结构中传播。爆炸冲击可能会损坏电路板，导致电气元件短路，或引发其他各种问题。了解发射环境有助于透彻理解太空应用对电子元器件的冲击和振动要求，以及相关检查要求。
另一个严重问题是释气。塑料、胶水和粘合剂都会释放气体。塑料设备散发出的蒸气会导致物质沉积在光学设备上，使其性能降低。例如，汽车的塑料仪表板会释放蒸气，在挡风玻璃上沉积一层薄膜。这是我亲身经历的一个实际例子。使用陶瓷来替换塑料元件可以避免电子设备的释气问题。近地轨道(LEO)附近带有挥发性硅酮的气体会导致航天器周围形成一团污染云。释气、排气、泄漏和推进器点火产生的污染可能会损坏和改变航天器的外表面。
表面上的严重污染可能会导致静电放电，而卫星易受充电和放电的影响。因此，太空应用要求组件不能有浮动金属。卫星充电是指卫星静电势相对于卫星周围低密度等离子体的变化。充电程度取决于卫星的设计和轨道。导致充电的两个主要机制是等离子体轰击和光电效应。在地球同步轨道卫星上，已知会发生高达20,000 V的放电。如果不采取保护设计措施，则由太空环境的能量积聚而导致的静电放电可能会损坏设备，为此，地球同步轨道(GEO)卫星采用的一种设计方案是将卫星的所有外表面涂上导电材料。在LEO大气中，约96%是原子氧。氧以不同形式存在。我们呼吸的是氧气O2。O3存在于地球的高层大气中，O（单个原子）是原子氧。原子氧可以与航天器外部的有机材料发生反应，并导致这些材料逐渐损坏。在NASA的首次航天飞机任务中，人们就注意到了原子氧对材料的侵蚀问题。原子氧的存在导致航天飞机材料受到侵蚀并形成纹理，看上去好像结霜。NASA开发了一种不受原子氧反应影响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。抗原子氧涂层是保护塑料的常见方法。航天器遇到的剧烈温度波动是另一个大问题。卫星绕地球运行可分为两个阶段：日照阶段和日食阶段。在日照阶段，卫星被太阳加热，当卫星运行到地球背面或阴影面时，温度变化幅度可能高达300℃。GEO静止轨道上的卫星距离太阳更近，因此其温度波动比LEO卫星上的温度变化要大得多。
有趣的是，月球表面的温度在昼夜之间可以从约-200℃变化到+200℃。这不禁让人好奇人类如何能够在月球上行走。这里又要提到陶瓷，陶瓷封装可以承受反复的温度波动，提供出色的密封性，并能在更高的功率和温度下保持功能正常。陶瓷封装在恶劣环境下具有更高可靠性。那么，如何消散电子设备产生的热量呢？持续的高温会降低电子设备的精度和使用寿命。热传递有三种方式：对流、扩散和辐射。在太空的真空环境中，不会发生热对流或热传导。辐射传热是真空中的主要传热方式，因此卫星需通过将热量辐射到太空来实现散热。
太空的真空环境有利于锡须的生长，因此必须注意避免禁用材料，太空中的IEEE部件和相关五金件禁止使用纯锡、锌和镉镀层材料。这些材料容易自发生长晶须，导致电气短路。锡须是一种导电的锡晶体结构，有时会从以锡作为最终饰面的表面生长出来。采用纯锡引线的器件可能会受到锡须现象的影响，导致电气短路。使用铅基焊料可避免器件在高应力应用中发生短路。最后，太空辐射环境可能会对航天器电子设备造成破坏性影响。航天器可能遭遇的辐射强度和类型存在很大差异。在近地轨道、高椭圆轨道、地球同步轨道和行星际飞行时，任务环境截然不同。此外，这些环境也在不断变化。辐射源受太阳活动的影响。太阳活动周期分为两个阶段：太阳极小期和太阳极大期。您的航天器任务发生在太阳极小期、太阳极大期还是在这两个时期都会发生？这里的关键在于，太空中存在多种差异巨大的环境。运载火箭的要求与地球同步轨道卫星或火星探测器的要求大不相同。每个太空项目都必须从可靠性、耐辐射性、环境压力、发射日期和任务预期生命周期等方面进行评估。
40多年来，ADI公司一直在为航空航天和防务市场提供高可靠性器件，并主要侧重于电子战、雷达、通信、航空电子、无人系统以及导弹和智能弹药等领域。当前我们非常看重太空市场。ADI公司拥有广博精深的技术知识，其信号链技术全面涵盖传感器、放大器、射频和微波器件、ADC、DAC及输出器件等方面，能够满足航空航天和防务行业的苛刻要求。
2015年，卫星行业的收入为2080亿美元，主要有四个细分市场，即卫星制造、卫星发射设备、地面设备和卫星服务。卫星服务的市场规模较大，也是推动整个卫星行业发展的重要动力。那么，您知道卫星最近为您做了什么吗？我相信大多数人都会因现代生活对卫星服务的依赖程度而感到惊讶。如果目前运行的1381颗卫星突然关闭服务，现代生活将受到极大影响，全球金融、电信、交通、气象、国防、航空等诸多领域都严重依赖卫星服务。卫星服务市场主要有三个部分：卫星导航、卫星通信和地球观测。导航卫星用于全球分发导航信号和数据，以提供定位、位置和授时服务。相关服务用例有交通管理、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预计将成为下一个大热门。电信卫星或SATCOM服务的用例有电视、电话、宽带互联网和卫星广播。这些系统可以在地面电信网络遭受灾难性破坏时提供不间断的通信服务。与商务和商用飞机相关的机上互联网和移动娱乐细分市场目前都呈现出强劲增长势头。地球观测卫星用于传输环境数据。基于太空的地球观测可促进农业的可持续发展，并有助于应对气候变化、土地和野生动物管理以及能源资源管理。地球观测卫星可帮助保护水资源和改进天气预报。因此，卫星服务的范围非常广泛且在不断增长。
那么，卫星上使用了哪些类型的电子系统？航天器的基本要素分为两部分：平台和有效载荷。平台由支撑有效载荷的五个基本子系统组成：结构子系统、遥测子系统、跟踪与指令子系统、电力与配电子系统、热控子系统、姿态与速度控制子系统。结构子系统是机械结构，通过提供刚度来承受应力和振动，此外还为电子设备屏蔽辐射。遥测、跟踪和指令子系统包括接收器、变送器、天线、温度传感器、电流传感器、电压传感器和罐体压力传感器，同时还提供各种航天器子系统的状态信息。电力与配电子系统将太阳能转化为电能，并为航天器电池充电。热控子系统帮助保护电子设备免受极端温度的影响。最后，姿态与速度控制子系统是轨道控制系统，包含传感器和执行器（反作用轮、推进器等），传感器测量航天器方向，执行器施加所需的扭矩和力，使航天器处于正确的轨道位置。姿态与控制系统的典型组件包括太阳和地球传感器、星敏感器、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。
有效载荷是用于支持主要任务的设备。对于GPS导航卫星，有效载荷包括原子钟、导航信号发生器以及高功率RF放大器和天线。对于电信系统，有效载荷包括天线、变送器和接收器、低噪声放大器、混频器和本地振荡器、解调器和调制器以及功率放大器。地球观测有效载荷包括天气预报用微波和红外探测仪器、可见红外成像辐射计、臭氧测绘仪器、可见光和红外摄像头以及传感器。
几年前ADI公司与Hittite Microwave合并，现在我们能够提供覆盖直流到110 GHz频谱的完整解决方案。ADI解决方案涵盖导航、雷达、6 GHz以下通信系统、卫星通信、电子战、微波频谱雷达系统以及毫米波频谱雷达系统和卫星成像。ADI公司提供1000多种器件，覆盖全部射频和微波信号链及应用。Hittite的全频谱RF功能模块、衰减器、LNA、PA和RF开关与ADI公司的高性能线性产品、高速ADC、DAC、有源混频器和PLL相结合，可以提供端到端的系统解决方案。
自然空间辐射环境对电子设备的影响
辐射对电子设备的影响是太空应用的一大问题。在地球大气层的保护罩之外，太阳系充满了辐射。自然空间辐射环境可能会对电子设备造成损害，轻则参数性能下降，重则完全丧失功能。这些影响可能导致任务寿命缩短和卫星系统重大故障。在地球附近，辐射环境可分为两类：范艾伦带中捕获的粒子和瞬态辐射。范艾伦带中捕获的粒子由高能质子、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（日冕物质抛射和太阳耀斑）产生的粒子组成。辐射影响卫星电子设备的方式主要有两种：总电离辐射剂量(TID)和单粒子效应(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是一种可以用平均无故障时间来描述的故障率。
TID是设备在任务生命周期内随时间累积的电荷。粒子穿过晶体管时会在热氧化物中产生电子空穴对。积累的电荷会产生漏电流，降低设备增益，影响时序特性，并在某些情况下导致功能完全丧失。总累积剂量取决于轨道和时间。在近地轨道(LEO)，主要辐射源是电子和质子（内带）；而在地球同步轨道(GEO)，主要辐射源是电子（外带）和太阳质子。值得注意的是，设备屏蔽可以有效减少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的一部分，包括单粒子翻转(SEU)、多比特翻转(MBU)、单粒子功能中断(SEFI)、单粒子瞬变(SET)和单粒子闩锁(SEL)。SEL是指CMOS阱中形成的寄生双极性作用在电源和地之间产生低阻抗路径，导致高电流状态。因此，SEL可能导致潜在硬错误。
软错误包括存储单元或寄存器的比特翻转或状态变化。SET是由高能粒子注入设备中的电荷所产生的瞬态电压脉冲。这些瞬态脉冲可能会导致SEFI。SEFI是软错误，会导致器件复位、锁定或发生其他可检测故障，但不需要断电重启设备来恢复操作。SEFI通常与控制位或寄存器的翻转有关。
JEDEC将硬错误定义为操作中的不可逆变化，它通常与设备或电路的一个或多个元件的永久性损坏有关，例如栅极氧化物破裂或破坏性闩锁事件。硬错误很严重，会造成数据丢失，而且即使复位电源，器件或设备也不再能正常工作。SEE硬错误可能具有破坏性。硬错误包括单粒子闩锁(SEL)、单粒子栅极破裂(SEGR)和单粒子烧毁(SEB)。SEE硬错误可能会毁坏设备、拉低总线电压，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。以前，通信卫星基本上采用弯管中继器架构，用于中继信号。如今，通信卫星提供多波束，并且采用星上处理(OBP)架构。电子设备越复杂，辐射效应带来的风险就越大。高容量的小卫星星座使用较多的商业级塑料器件。商用现货(COTS)设备通常对辐射效应更为敏感。此外，小卫星的结构质量较小，屏蔽电子设备的效果较差。目前IC尺寸越来越小、氧化物越来越薄，设备对TID辐射效应的敏感性逐渐降低，TID耐受度得到提高。但是，SEE却随着IC尺寸的缩小而增加。产生SET和SEU所需的能量较低。
设备频率较高时，SET会转变为更多的SEU，从而增加SEFI的数量。针对高速瞬态信号的缓解技术可能面临更大挑战。
ADI公司为支持太空应用所做的努力
航天产品部利用ADI公司的器件组合来支持航天行业。我们专有的绝缘体上硅(SOI)工艺可为太空应用提供耐辐射产品。在某些情况下，我们会调整核心硅片以增强器件的抗辐射能力。我们还能够将设计移植到抗辐射SOI工艺上。我们将裸片集成到密封陶瓷封装中，并在扩展的军用温度范围内对器件进行特性分析。我们的目标是开发和推出完全合格的S级QMLV产品，对于单片器件使用国防后勤局(DLA) MIL-PRF 38535系统，对于K级混合和多芯片模块使用MIL-PRF 38534系统。对于辐射检查，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，我们提供单粒子效应测试数据。
ADI公司提供商业、工业和增强型产品(EP)，以及经过汽车、军事和航天认证的器件。EP器件旨在满足任务关键型和高可靠性应用需求，主要用于航空航天和防务市场。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、航天认证单片器件，以及按照军用规范设计的多芯片模块，如QMLV和QMLK器件。对于开发混合或多芯片模块解决方案的客户，ADI公司也可以根据标准航空航天数据手册和客户源控制图纸提供经航天认证的K级裸片。
我们的EP是旨在满足任务关键型要求和高可靠性应用要求的塑封器件。根据客户意见，我们将针对太空应用推出一个新的器件产品类别，我们将其定义为超级增强型产品(EP+)器件。我们的客户要求改进尺寸、重量和功耗，提供更高性能、更宽带宽、更高工作频率、更大的有效载荷灵活性和优化的可靠性。为了在尺寸越来越小、功耗和成本越来越低的航天器中实现高性能，航天器设计人员被迫使用商用器件。天基互联网就是一个很好的例子。据估计，全球有60%的人口无法访问互联网。为了满足这一市场需求，多家公司正规划部署大量环绕地球的小型低成本卫星，以支持接入全球通信网络。ADI公司正在与客户合作定义EP+，以满足不断发展的新市场需求。EP为高可靠性应用提供商用现货解决方案，客户无需额外支付定制筛选费用。EP是塑封器件，支持-55℃至+125℃的军用温度范围。除了要求扩展温度范围之外，EP客户还要求器件无铅且无晶须。他们要求器件具有受控的制造基线、独立的数据手册和EP变更通知流程。这些器件在国防后勤局文件系统下也具有相关的V62供应商项目图纸。当前发布的EP包含特有的EP后缀，并具有单独的数据手册。
如前所述，ADI公司还在为太空应用、LEO系统和高空应用推出新的器件概念，即EP+。我们目前根据源控制图纸支持EP+。ADI公司希望为太空应用提供标准商用现货级器件。通过EP+方法，我们设想推出一种介于标准EP和军用883等级之间的器件，从而为太空应用提供商用现货解决方案，避免额外的定制筛选费用。我们可以借此生产商用现货器件，并实现晶圆批次可追溯性和提供批次特定的辐射检测数据。
而如何找到可靠性和成本之间的适当平衡点是其中关键，如图1中的曲线所示。所需的筛选越多，单位成本就越高。在定义这一新产品类别时，卫星行业和ADI公司当前面临着一个挑战，即如何为太空应用的商用器件确定筛选程度与成本的出色平衡点。
总而言之，ADI公司的目标是为太空应用提供完整的产品，而不仅仅是元器件。
- 我们提供器件可靠性出色的全面产品组合
- 我们支持单一批次日期代码采购
- 采用先进的封装和特性分析来应对恶劣环境挑战
- 金和锡铅热焊浸引线表面处理解决锡须问题
- 我们提供无违禁物质认证
- 全面的符合性证书，具备材料可追溯性
- 全面的QMLV飞行单元测试报告
- 电气性能在-55℃至+125℃的扩展温度范围内进行生产测试
- 我们提供经过100%筛选和质量合格检查的全面认证QMLV器件
- 我们提供防辐射认证器件……HDR、LDR、SEE
- 产品生命周期长是ADI业务战略的立足之本
- 我们拥有专门的航空航天和防务团队提供产品支持和应用支持
目前，ADI公司提供90多种标准通用航天认证器件，型号超过350种，涵盖不同等级和封装。新款特色航天认证产品包括ADA4084-2S、 ADA4610-2S和 ADuM7442S器件。
5962R1324501VXA (ADA4084AF/QMLR)是新型低噪声、低功耗、经航天认证的精密放大器，可按照SMD图纸作为QMLV航天认证器件提供。该器件具有10 MHz单位增益带宽和轨到轨输入输出。这些放大器非常适合对交流性能与精密直流性能都有要求的单电源应用。
5962R1420701VXA (ADA4610-2BF/QMLR)是航天认证的双通道、精密、超低噪声、低输入偏置电流、宽带宽JFET器件。这些放大器特别适合高阻抗传感器放大和精密电流测量应用。
ADuM7442R703F是一款经航天认证的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。该器件支持双向通信。航天认证器件具有电气隔离功能，也就是说其输入和输出电路没有直接的电连接路径。相较于竞争解决方案，这些器件在尺寸、重量、功耗和可靠性方面具有优势。