空間信息系統(tǒng)COTS技術(shù)下的抗輻射設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞 空間信息處理系統(tǒng) 太空輻射環(huán)境COTS SEL雙機(jī)系統(tǒng)
引 言
空間信息處理系統(tǒng)作為小衛(wèi)星上的核心部件，它主要用于衛(wèi)星控制、星務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理等，空間信息處理系統(tǒng)工作在一個(gè)相對(duì)地面更加惡劣的環(huán)境中，給研究人員提出了更高的要求。
一個(gè)自然的辦法是進(jìn)行屏蔽和加固，相關(guān)數(shù)據(jù)表明：鋁板越厚，輻射作用越小，且宇航級(jí)加固的CMOS器件抗輻射能力大大強(qiáng)于常規(guī)CMOS。目前宇航級(jí)抗輻射加固的微處理器以及其他計(jì)算機(jī)器件落后最先進(jìn)的商用產(chǎn)品數(shù)年，如圖1所示。
COTS(Commercial Off-The-Shelf)技術(shù)的引入，即用商用器件代替宇航級(jí)的抗輻射加固器件，是當(dāng)前設(shè)計(jì)空間信息處理系統(tǒng)的一個(gè)趨勢。如何保證系統(tǒng)的可靠性，如何在采用更廉價(jià)的商用器件，充分利用其運(yùn)算速度快、軟什編程平臺(tái)完善、應(yīng)用軟件多、系統(tǒng)組成靈活等特點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)商用現(xiàn)貨器件采取措施使之對(duì)空間環(huán)境具有抗輻射的功能，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。
1 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)分析
1.1 空間輻射效應(yīng)
太空輻射環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的效應(yīng)主要分為兩類。
①輻射總劑量TID(Total Ionizing Dbse)：描述的是電子器件在輻射環(huán)境下的一組特性，指器件在發(fā)生重大改變(永久故障)前所能承受的總吸收能量級(jí)。它的單位為Rad，即存積在一克硅中的能量。
②單粒子效應(yīng)SEE(Single-Event Effect)：指單個(gè)高能粒子撞擊引起的電子器件狀態(tài)的瞬時(shí)擾動(dòng)，或是永久性的損傷。太空中的高能粒子包括重粒子、質(zhì)子、α粒子、中子等。單粒子效應(yīng)又分為兩類。
◆單粒子翻轉(zhuǎn)SEU(Single-Event Upset)：引起電路中的觸發(fā)器和存儲(chǔ)單元的翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了邏輯錯(cuò)誤、存儲(chǔ)器錯(cuò)誤或丟失同步信號(hào)等。SEU常被視為軟錯(cuò)誤(softerror)。
◆單粒子閉鎖SEL(Single-Evcnt Latchup)：輻射環(huán)境下造成的門擊、燒毀或閉鎖(1atch up)，表現(xiàn)為CMOS電路短路、閉鎖熱應(yīng)力過載等。SEL常被視為硬錯(cuò)誤(harderror)。
1.2 對(duì)策研究綜述
由于小衛(wèi)星的空間位置和使用年限不同，而空間信息處理系統(tǒng)的輻射總劑量和單粒子效應(yīng)隨不同太空環(huán)境(軌道高度、傾角)和不同任務(wù)時(shí)間差別很大(輻射環(huán)境參數(shù)甚至?xí)袔讉€(gè)數(shù)量級(jí)的變化)，所以，其抗輻射的程度和措施也不盡相同。
目前，完全在硬件上屏蔽和避免輻射是很難實(shí)現(xiàn)且沒有必要的。而在COTS技術(shù)的應(yīng)用中，在采取適當(dāng)?shù)钠帘魏图庸檀胧┖?，仍無法完全達(dá)到系統(tǒng)抗輻避錯(cuò)的情況下，容許系統(tǒng)出現(xiàn)輻射效應(yīng)；但通過冗余(如烈機(jī)系統(tǒng))和容錯(cuò)計(jì)算使系統(tǒng)正常進(jìn)行工作，并設(shè)計(jì)使用一些應(yīng)對(duì)輻射效應(yīng)的保護(hù)電路，就成為了解決問題的辦法。
CMOS技術(shù)不斷發(fā)展，目前典型的CMOS技術(shù)下設(shè)備在物理損壞前能夠承受的TID大約為5 KRad；而根據(jù)美國國家航空和宇宙航行局(NAsA)提供的輻射模型分析顯示，其具有代表意義的小衛(wèi)星ION-F的計(jì)算機(jī)應(yīng)用信息處理模塊C&DH(Command and Data Handling)子系統(tǒng)的TID為25 Rad。由此可以得出結(jié)論：僅就小衛(wèi)星中的空間信息處理系統(tǒng)而言，在典型的任務(wù)周期和環(huán)境下，TID的影響可以忽略。我國的“實(shí)踐五號(hào)”衛(wèi)星分析也得出了類似的結(jié)論?？紤]到小衛(wèi)星任務(wù)年限和環(huán)境的多變性，一般性的加固和適當(dāng)厚度的鋁屏蔽應(yīng)該足以滿足擾TID的要求。
隨著技術(shù)的發(fā)展。伴隨著器件電壓的降低和位密度的增加，SEE的發(fā)牛頻率呈上升趨勢，而屏蔽對(duì)高能粒子的作用也是十分有限的。因此，相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，SEE相對(duì)而言是設(shè)計(jì)中更值得注意且潛伏危險(xiǎn)性更高的問題。SEU對(duì)存儲(chǔ)器件影響最大，COTS技術(shù)下處理器內(nèi)部可利用冗余技術(shù)(如雙機(jī)系統(tǒng))并采用合適的體系結(jié)構(gòu)組織，存儲(chǔ)器用ECC或其他校驗(yàn)碼檢測及自行校正錯(cuò)誤，另外還可以使用看門狗(watch dog)技術(shù)。
屏蔽和加固技術(shù)不在本文的研究范圍內(nèi)；比較成熟的雙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)碼和看門狗技術(shù)則解決了SEU輻射效應(yīng)的問題。
2 SEL解決方案設(shè)計(jì)
SEL是體效應(yīng)技術(shù)CMOS(Bulk CMOS technologies)(非絕緣硅)的寄生雙極晶體管被局部沉積的電荷所觸發(fā)而引起在電源供給和接地之間的一種短路。CMOS的加工工藝在正常的操作情況下防止了這種情況的出現(xiàn)。但是在宇宙中，由穿越高能粒子引起的局部電荷沉積仍可能觸發(fā)這種效應(yīng)。SEL可能局限在一個(gè)很小的本地區(qū)域內(nèi)．也可能傳播影響至芯片的大部分。如果不采取保護(hù)措施，則由短路引起的大電流就可能使器件造成永久損壞。
2．1 SEL解決關(guān)鍵
與SEU相比，SEL是純粹的硬錯(cuò)誤。如前文所述，SEL將引起器件中產(chǎn)生大電流。這個(gè)電流甚至可能會(huì)比器件典型的操作電流大幾個(gè)量級(jí)，并在其內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)高的溫度。如果不及時(shí)補(bǔ)救．那么將造成器件永久性的損害。因此，雖然SEL發(fā)生的次數(shù)很少，但是卻是設(shè)計(jì)中最有挑戰(zhàn)性的問題。
目前，COTS下消除SEL的可行辦法只能是在大電流發(fā)生后重啟電源，因此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于系統(tǒng)中有：
◇能夠監(jiān)測大電流的過流監(jiān)視器裝置；
◇自動(dòng)斷電和恢復(fù)的開關(guān)電路(即重啟電源)。
2.2 SEL保護(hù)電路原理
過流監(jiān)視器采用Maxim公司的芯片MAX4373／4374／4375系列。它是一種低成本、微功耗的高端電流檢測放大器+比較器+電壓基準(zhǔn)IC。
重啟電源的開關(guān)可由P溝道增強(qiáng)型MOS管(P-channel MOSFET)來構(gòu)造。選擇Vishay公司的Si4465DY，高質(zhì)量的MOSFET自身對(duì)輻射環(huán)境就有很好的免疫能力。
SEL的保護(hù)電路原理圖如圖2所示。
如圖2所示，Vin是負(fù)載電路的電源，同時(shí)也是MAX4373的電源。上電后，經(jīng)電流檢測電阻Rsense后向負(fù)載Load供電。負(fù)載電流Iload經(jīng)Rsense，在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓降Vsense。它作為電流檢測信號(hào)輸入MAX4373中的電流檢測放大器，其固定增益為Av，則放大后的電壓信號(hào)由0UT端輸出，Uout=Vsense×Av。R1、R2組成電壓分壓器，它將Vout經(jīng)分壓后輸入內(nèi)部的電壓比較器同相端CINl，與反相端(接內(nèi)部O．6 V基準(zhǔn)電壓)相比較。若流入負(fù)載電路的電流未超過設(shè)定的閾值電流，則電流檢測放大器輸出的電壓Vout經(jīng)R1、R2分壓后Voutin小于0．6V，內(nèi)部電壓比較器輸出低電平(從COUTl)，P溝道MOSFET導(dǎo)通，即負(fù)載的供電電路連通；若流入負(fù)載電路的電流超過了設(shè)定的閾值電流，則由Rsense檢測的電壓經(jīng)電流檢測放大器放大后，使輸出電壓Vout經(jīng)R1、R2分壓后Voutin大于0．6 V，內(nèi)部電壓比較器翻轉(zhuǎn)，COUTl輸出高電平，使P淘道MOSFET截止，于是負(fù)載的供電電路被切斷。內(nèi)部電壓比較器為輸出鎖存型，一旦翻轉(zhuǎn)，則輸出高電平鎖存，電路斷開狀態(tài)保持，即負(fù)載保持?jǐn)嚯姟４箅娏飨Ш?，按一下?fù)位按鈕(>2μs)，內(nèi)部電壓比較器復(fù)位，COUTl輸出低電平，MOSFET導(dǎo)通，負(fù)載加電重新工作。圖2中的R3即為COUTl輸出上拉電阻，同時(shí)也提供了P淘道MOSFET的VGS電壓．抑制流經(jīng)MOSFET的電流。
2.3 在雙機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)
根據(jù)以上原理，考慮SEL保護(hù)電路在雙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，給出空間信息處理系統(tǒng)SEL解決方案，如圖3所示。
圖3中CPUO板和CPUl板是冗余雙機(jī)，接口板負(fù)責(zé)雙機(jī)中主機(jī)和備機(jī)的通信與切換?？梢钥吹?，SEL解決措施分為3個(gè)步驟(電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不在本文論述范圍內(nèi))：
①SEL保護(hù)電路對(duì)系統(tǒng)中各需要監(jiān)測的器件進(jìn)行SEL監(jiān)測；
②當(dāng)監(jiān)測出過流時(shí)，即發(fā)生了SEL，保護(hù)電路迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)局部器件的斷電保護(hù)；
③SEL保護(hù)電路同時(shí)給出信號(hào)，控制電源板對(duì)本板供電部分的斷電和重啟。
3 在雙機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
應(yīng)用上述SEL解決方案設(shè)計(jì)，在某航天器雙機(jī)系統(tǒng)的原型結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了該方案。這里給出的應(yīng)用是雙機(jī)溫備系統(tǒng)．同理可適用于雙機(jī)冷備或者熱備系統(tǒng)中。顯然：
◆當(dāng)CPU板中有器件發(fā)牛SEL時(shí)，單純斷電該器件是不夠的，因?yàn)檎麄€(gè)CPU板此時(shí)缺少此器件，很可能已不能正常工作了，因此還需將整個(gè)CPU板斷電并重啟。CPU板重啟時(shí)速度慢，所蹦此時(shí)必須由另一塊CPU板接管作為主機(jī)，這就涉及了雙機(jī)切換的問題。
◆在接口板中有器件發(fā)生SEL時(shí)，同理單純斷電該器件是不夠的，必須斷電并重啟接口板。接口板沒有冗余，但接口板的重啟速度快，所以僅需要將整個(gè)接口板斷電再重啟。
◆電源系統(tǒng)必須能夠提供關(guān)斷的電源管理功能，這也給電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了要求。
3．1 CPU上的SEL方案實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
每塊CPU板上每一個(gè)需要監(jiān)測的器件供電引腳和供電電壓之間，都加上如圖4所示的由MAX4373和Si4465DY構(gòu)成的SEL保護(hù)宅路；CPU板上不同器件的供電電壓有4種不同的電壓值(5V，3．3V，1.8V，1．5V)。這里的SEL保護(hù)電路其實(shí)就是對(duì)2．2小節(jié)中SEL保護(hù)電路原理的改進(jìn)，即監(jiān)測芯片MAX4373和要監(jiān)測的器件使用的是不同的電源。當(dāng)器件發(fā)生SEL大電流時(shí)，COUTl為高，且MAX4373工作保持鎖存該高電平，于是一方面迅速切斷該器件的供電電路以避免損壞，另一方面通過“或”門控制該CPU電源?？梢钥吹?，“或”門使得CPU板上任何被監(jiān)測的器件發(fā)生SEL時(shí)，CPU電源舶Ctrl為高，其上的Si4465DY同樣實(shí)現(xiàn)了開關(guān)功能，則CPU電源上MOSFET斷，電源的ON/OFF為低使得整個(gè)該CPU板的供電斷掉，此時(shí)便解決了此次的SEL問題。其后接口板上的Wacch dog能感知到該CPU發(fā)生故障，并控制雙機(jī)邏輯切換到另一臺(tái)CPU使之作為主機(jī)，即實(shí)現(xiàn)雙機(jī)切換?？梢钥吹?，當(dāng)故障CPU斷電后，Ctrl變低，則該CPU電源上MOSFET導(dǎo)通，ON／OFF為高使得整個(gè)CPU的供電恢復(fù)，該CPU重新通電加載作為備機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)溫備。
3．2 接口板上的抗SEL方案
實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
接口板中每一個(gè)需要監(jiān)測的器件供電引腳和供電電壓之間，都加上如圖5所示的由MAX4373和Si4465DY構(gòu)成的SEL保護(hù)電路；接口板上不同器件的供電電壓有3種不同的電壓值(5V，3．3V，1．5V)。這里的SEL保護(hù)電路其實(shí)就足對(duì)2．2小節(jié)中SEL保護(hù)電路原理的改進(jìn)，即監(jiān)測芯片MAX4373和要監(jiān)測的器件使用的是不列的電源。當(dāng)器件發(fā)生SEL大電流時(shí)，COUTl為高，且MAX4373工作保持鎖存該高電平，于是一方而迅速切斷該器件的供電電路以避免損壞，另一方面通過“或”門去控制接口板電源。
可以看到，“或”門使得接口板上任何被監(jiān)測的器件發(fā)生SEL時(shí)，接口板電源的Ctrl為高，其上的Si4465DY同樣實(shí)現(xiàn)了開關(guān)功能，則接口板電源上MOSFET斷開，ON/OFF為低使得整個(gè)接口板的供電斷掉，此時(shí)便解決了此次的SEL問題。當(dāng)接口板斷電后，Ctrl變低，則該接口板電源上MOSFET導(dǎo)通，ON／OFF為高使得整個(gè)接口板的供電恢復(fù)，接口板迅速重新通電，極短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響到雙機(jī)工作。
3.3 部分PCB原理圖
根據(jù)以上設(shè)計(jì)制板實(shí)現(xiàn)，部分PCB原理圖如圖6所示。
結(jié)語
本文對(duì)太空輻射環(huán)境進(jìn)行了分析，研究了COTS技術(shù)下空間信息處理系統(tǒng)的抗輻射設(shè)計(jì)，給出了基于SEL輻射效應(yīng)的解決方案，并在某航天器雙機(jī)系統(tǒng)(溫備)上進(jìn)行了原型實(shí)現(xiàn)?？紤]到高能粒子輻射不僅存在于太空，還廣泛存在于核爆環(huán)境下甚至大氣中，因此，該實(shí)現(xiàn)方案也能夠移植應(yīng)用于人為輻射(如敵方核爆)、機(jī)載(航空)和車載等領(lǐng)域。
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