【導讀】太tai空kong中zhong的de電dian子zi係xi統tong暴bao露lu在zai大da量liang危wei險xian之zhi中zhong。除chu此ci之zhi外wai，如ru果guo沒mei有you地di球qiu保bao護hu磁ci場chang使shi粒li子zi偏pian轉zhuan，沒mei有you地di球qiu大da氣qi層ceng吸xi收shou太tai陽yang及ji宇yu宙zhou射she線xian
，係xi統tong將jiang暴bao露lu在zai更geng大da強qiang度du的de波bo輻fu射she及ji粒li子zi輻fu射she中zhong。半ban導dao體ti器qi件jian特te別bie容rong易yi受shou到dao粒li子zi輻fu射she的de影ying響xiang，這zhe可ke能neng會hui導dao致zhi組zu件jian或huo係xi統tong故gu障zhang。

但(dan)即(ji)使(shi)是(shi)無(wu)源(yuan)組(zu)件(jian)可(ke)能(neng)也(ye)會(hui)出(chu)現(xian)放(fang)氣(qi)等(deng)問(wen)題(ti)。此(ci)外(wai)，散(san)熱(re)也(ye)更(geng)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)，因(yin)為(wei)對(dui)流(liu)散(san)熱(re)在(zai)太(tai)空(kong)中(zhong)不(bu)管(guan)用(yong)，所(suo)以(yi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)隻(zhi)能(neng)通(tong)過(guo)將(jiang)熱(re)量(liang)傳(chuan)導(dao)至(zhi)表(biao)麵(mian)後(hou)輻(fu)射(she)散(san)掉(diao)。

本文將探討這些問題，具體涉及航天電源係統的設計。這裏的重點甚至可進一步聚焦到那些“新太空”應用，它們需要“耐輻射”組件及電路，而非更穩健的“防輻射”器件與電路。耐輻射要求降低了組件或電路承受反射宇宙輻射的能力，例如，組件總電離劑量 (TID) 以更低額定值為單位。然而，作為輻射穩健性程度降低的交換，組件成本也有望降低。

雖sui然ran半ban導dao體ti器qi件jian的de選xuan擇ze是shi開kai發fa耐nai輻fu射she電dian源yuan係xi統tong的de關guan鍵jian，但dan它ta隻zhi是shi可ke部bu署shu在zai組zu件jian和he電dian路lu層ceng麵mian的de眾zhong多duo設she計ji策ce略lve中zhong的de一yi個ge。本ben文wen將jiang討tao論lun軟ruan開kai關guan在zai耐nai輻fu射she電dian源yuan係xi統tong中zhong的de基ji本ben戰zhan略lve及ji多duo種zhong優you勢shi。

粒子輻射及其它危害的影響

就jiu我wo們men的de目mu的de而er言yan，波bo輻fu射she包bao括kuo射she線xian和he電dian磁ci波bo。關guan於yu波bo輻fu射she的de直zhi覺jiao是shi由you人ren類lei感gan官guan所suo能neng探tan知zhi到dao的de事shi物wu引yin導dao的de
，即ji用yong我wo們men的de眼yan睛jing所suo感gan受shou到dao的de可ke見jian光guang、我們感覺有熱度的紅外光，以及在紫外線灼傷我們的皮膚時我們所感受到的紫外線。

一般來說，波輻射的屬性與光的屬性相似，包括反射、吸收、折射和傳播。然而

，宇宙（波）輻射的波長可延伸到可見光光譜的上方和下方。能見度以下的輻射包括微波和射頻。能見度以上的輻射包括紫外線、X 射線和伽馬射線。在圖 1 中，請注意波長和相關能量，這是測量輻射暴露的關鍵參數。

波bo輻fu射she和he粒li子zi輻fu射she並bing不bu是shi完wan全quan分fen開kai的de兩liang件jian事shi
，但dan它ta們men對dui電dian子zi係xi統tong的de影ying響xiang是shi不bu同tong的de。單dan個ge粒li子zi的de質zhi量liang很hen小xiao

，但dan可ke加jia速su到dao很hen高gao的de速su度du。此ci外wai
，它ta們men還hai可ke以yi攜xie帶dai電dian荷he，當dang負fu電dian荷he電dian子zi從cong原yuan子zi軌gui道dao剝bo離li時shi
，通tong常chang為wei正zheng電dian荷he。

通過粒子輻射


，我們可以看到物理損壞
，特別是對半導體晶體晶格的損壞，這種損壞是永久和/huoleijixingde。zaidianzibeituorusunhaoqu，shifeidaodianqudaodiandedifang，huichuxianzanshixingdepohuai。zhengliziqudaijingtijizhizhongdechanzayuanzishi，yehuichuxianyongjiuxingsunhuai，youshihuishibandaotizaicuowudeshijianhuodifangdaodian，zheyehuitongguodianluguzhangzaochengyongjiuxingsunhuai。

太tai空kong危wei險xian重zhong重zhong。大da部bu分fen輻fu射she損sun壞huai都dou是shi日ri積ji月yue累lei的de，所suo以yi任ren務wu時shi間jian長chang短duan是shi一yi個ge因yin素su。當dang電dian子zi設she備bei離li開kai地di球qiu體ti係xi時shi，輻fu射she強qiang度du會hui提ti升sheng，所suo以yi軌gui道dao或huo深shen空kong暴bao露lu也ye是shi影ying響xiang因yin素su。

taikongzhenkongzhongdelingyigeyingxiangyinsushi
，womenyongyuzaidimiansanredeyouxiaoduiliubuqizuoyong。chuandaodezuoyongshichuanboreneng，danduoyudereliangzuizhongbixufushedaohanlengdetaikongzhong。yigefuzadeyinsushi，baoluzaiyangguangxiadebiaomian，wenduhuibiandefeichanggao，dayuewei 250˚F (120˚C)
，而陰影覆蓋的表麵則非常冷，大約為 -238˚F (-150˚C)。衛星係統的散熱設計很複雜。

圖 1：輻射光譜（插圖由哈佛大學提供）[1]。

構建堅固耐輻射電源電子器件的策略

即ji使shi在zai當dang前qian快kuai節jie奏zou的de新xin太tai空kong商shang業ye環huan境jing中zhong
，發fa射she更geng換huan報bao廢fei衛wei星xing的de成cheng本ben也ye非fei常chang高gao昂ang

，因yin此ci謹jin慎shen設she計ji尤you為wei重zhong要yao。我wo們men真zhen的de希xi望wang獲huo得de我wo們men力li所suo能neng及ji的de最zui高gao可ke靠kao性xing。

怎麼實現？

答案不止一個，創建堅固的航空電子係統的解決方案是多方麵的。

根gen據ju耐nai輻fu射she性xing選xuan擇ze組zu件jian。一yi些xie業ye界jie一yi流liu的de半ban導dao體ti工gong藝yi節jie點dian提ti高gao了le耐nai輻fu射she性xing。雙shuang極ji性xing半ban導dao體ti可ke根gen據ju其qi位wei移yi損sun壞huai等deng級ji進jin行xing選xuan擇ze。可ke以yi選xuan擇ze本ben來lai就jiu耐nai輻fu射she的de寬kuan帶dai隙xi (GaN) FET。有些部件根本不適合在太空環境中使用
，如某些環氧樹脂和鋁電解質容器，它們會在真空中釋放氣體。

為了說明批次之間的差異，可以對一個批次進行抽樣測試
，看看其輻射性能。如果通過測試
，本次生產的器件即可放心使用。

物wu理li冗rong餘yu。可ke執zhi行xing多duo個ge係xi統tong實shi例li。一yi個ge發fa生sheng故gu障zhang，可ke以yi設she計ji讓rang另ling一yi個ge係xi統tong來lai接jie管guan。在zai一yi些xie係xi統tong中zhong，有you三san個ge係xi統tong並bing行xing運yun行xing。如ru果guo其qi中zhong一yi個ge與yu另ling外wai兩liang個ge不bu一yi致zhi
，其qi輸shu出chu即ji可ke忽hu略lve。有you時shi提ti供gong有you四si個ge冗rong餘yu係xi統tong
，如ru果guo一yi個ge係xi統tong出chu現xian故gu障zhang，可ke換huan用yong一yi個ge備bei用yong係xi統tong。

功率 MOSFET 可降額
，因此可以考慮不可避免的 VGS 閾值降級，該器件在工作年限之後仍能正常工作。

屏蔽可用於保護敏感電子器件
，但如果粒子能量足夠高，屏蔽的級聯粒子會使問題增加。

如果故障可恢複，可以添加電路來監控性能，斷開並重啟出問題的係統。

無論設計策略和電源拓撲如何，航天電子係統都必須進行環境及輻射性能分析
、仿真和測試。

耐輻射設計要求限製了組件的選擇。監控器
、安全保護機製
、電源斷開及複位電路的性能的增加不能導致最終解決方案的效率

、尺寸和重量超出要求。

拓撲選擇和開關模式的影響

通過選擇合適的電源係統架構來平衡設計折中很重要。拓撲和開關模式，如軟開關（相對於硬開關電源轉換器），可以使係統對振蕩等寄生效應不那麼敏感
，振蕩會增加開關組件上的電壓應力。

拓撲選擇是新太空設計中的重要實例
，開關模式會影響電源轉換執行的所有重要規範，其中包括功率密度、效率、瞬態響應

、輸出紋波、電磁幹擾 (EMI) 發射與成本等。

主要開關損耗項可歸因為供電鏈高端 MOSFET 通過柵極充電要求及漏 - 源yuan電dian容rong的de導dao通tong行xing為wei。開kai關guan損sun耗hao隨sui開kai關guan頻pin率lv的de增zeng加jia而er增zeng加jia，從cong而er可ke限xian製zhi開kai關guan頻pin率lv。體ti內nei二er極ji管guan導dao通tong損sun耗hao將jiang進jin一yi步bu降jiang低di硬ying開kai關guan轉zhuan換huan器qi的de電dian源yuan轉zhuan換huan效xiao率lv。雖sui然ran GaN FET 沒有物理體內二極管
，但確實有幾伏特的反向傳導模式鉗位，因此很難管理 GaN 死區傳導期。

在同步硬開關降壓拓撲中，高側 MOSFET 在其電壓最大（見圖 2a）並(bing)在(zai)接(jie)通(tong)部(bu)分(fen)工(gong)作(zuo)周(zhou)期(qi)過(guo)程(cheng)中(zhong)傳(chuan)導(dao)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)時(shi)接(jie)通(tong)。因(yin)此(ci)，高(gao)側(ce)開(kai)關(guan)的(de)功(gong)耗(hao)在(zai)開(kai)關(guan)切(qie)換(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)達(da)到(dao)最(zui)大(da)值(zhi)。輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)越(yue)大(da)，功(gong)耗(hao)越(yue)高(gao)，因(yin)此(ci)在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)，高(gao)電(dian)壓(ya)比(bi)應(ying)用(yong)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)（例如，28V 至 3.3V）的效率往往比在要求較低轉換比（例如
，5V 至 2.5V）的電路中的低。

圖 2：輻射光譜（插圖由哈佛大學提供）[2]。

軟開關的優勢

替代方案（軟開關）將大幅降低這些開關損耗。軟開關技術需要的控製電路更複雜，因為開關時序必須與開關波形協調。

軟開關的一個實例是零電壓開關 (ZVS) 技術，可提高一係列電源拓撲間的轉換效率。顧名思義
，當開關的電壓為零或接近零時，ZVS 會高側 MOSFET上實現（見圖 2b）。這在高側 MOSFET 導通間隔期間打破了功耗與電壓轉換比之間的聯係。

支持 ZVS 技ji術shu的de鉗qian位wei開kai關guan的de工gong作zuo允yun許xu轉zhuan換huan器qi在zai高gao低di側ce開kai關guan都dou關guan閉bi時shi
，在zai輸shu出chu電dian感gan器qi中zhong存cun儲chu少shao量liang能neng量liang。轉zhuan換huan器qi可ke使shi用yong這zhe種zhong在zai其qi它ta方fang麵mian浪lang費fei的de能neng量liang為wei高gao側ce MOSFET 的寄生電容放電
，並為同步 MOSFET 的寄生電容充電。

將 MOSFET 的寄生電容從開關的導通行為中去除
，可降低 MOS FET 針對 CGD 進行選擇的敏感性，因此，設計人員可將工作重心從導通電阻與柵極電容等傳統品質因數轉向導通電阻。

這種在接通過程中驅動高側 MOS FET 的方法可避免刺激開關寄生電感和電容
，這些電感和電容易產生諧振
，在硬開關拓撲中誘導大型電壓尖峰和振蕩（見圖 3a）。通過消除尖峰並防止振蕩（見圖 3b）
，ZVS 不僅可消除功耗項，而且還可消除 EMI 發射源。

此外，從開關行為中消除電壓尖峰可讓設計人員選擇 RDSON 較低的較低電壓 MOSFET，從而提高效率。

圖 3：硬開關與軟開關波形（插圖由《電子設計》提供）[2]。

軟開關的功能非常廣泛。例如，Vicor 在其耐輻射電源模塊解決方案中使用軟開關技術
，為專門用於 MEO 和 LEO 衛星應用的高性能通信 ASIC 供電（見圖 4）。係統模塊使用 ZVS 升降壓拓撲為 BCM® 和 VTM™ 的 PRM™ 與 ZVS 及 ZCS 正弦振幅轉換器 (SAC) 提供支持。

VTM 尺寸小，可以盡可能靠近 ASIC 布置。在應對現代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 消耗的大電流時，優化配電網絡 (PDN) 至關重要。Vicor 模塊將軟開關解決方案
、耐輻射有源組件和符合汽車標準的無源組件進行了完美結合。

為緩解單事件功能中斷 (SEFI) 問wen題ti

，所suo有you耐nai輻fu射she模mo塊kuai都dou包bao括kuo並bing聯lian運yun行xing的de完wan全quan冗rong餘yu供gong電dian鏈lian。如ru果guo一yi個ge供gong電dian鏈lian因yin單dan個ge事shi件jian而er出chu現xian故gu障zhang，其qi保bao護hu電dian路lu將jiang強qiang製zhi斷duan電dian複fu位wei。在zai複fu位wei間jian隔ge期qi間jian，冗rong餘yu供gong電dian鏈lian將jiang承cheng擔dan全quan部bu負fu載zai，而er且qie複fu位wei後hou，兩liang個ge供gong電dian鏈lian將jiang再zai次ci並bing聯lian運yun行xing。

圖 4：高功率諧振（ZVS 和 ZCS）拓撲模塊。

在眾多因素中
，拓撲和開關模式的選擇是設計新太空電源轉換器時的重要因素。

來源：Vicor

作者：Ken Coffman

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