Постоянное совершенствование оборудования, применяемого в космических программах, напрямую связано с развитием электронно-вычислительной техники. Повышение объемов обрабатываемых данных и скорости передачи информации требует применения высокопроизводительных радиационно-стойких программируемых логических ИС (ПЛИС), для питания которых обычно необходимо несколько номиналов стабильных напряжений (1,2; 1,8; 2,5; 3,3 В). Решению этой задачи поможет линейка высокоинтегрированных преобразователей напряжения компании Microsemi, основные характеристики которых и будут рассмотрены в данной статье.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие наметилась отчетливая тенденция роста применения ПЛИС при разработке электронной аппаратуры, предназначенной для использования в космосе. На основе ПЛИС проектируются системы цифровой обработки изображений и данных, поступающих с научного оборудования, бортовые компьютеры малых космических аппаратов и телекоммуникационных спутников. Это многообразие обусловлено рядом преимуществ применения, в частности, возможностью реконфигурации ПЛИС в случае изменения задачи, модернизацией алгоритмов работы, организацией параллельных вычислений, а также значительным прогрессом в технологии производства, позволившим создать быстродействующие микросхемы с большим числом логических вентилей.
Аппаратура, размещаемая на космических аппаратах, работает в условиях воздействия ряда дестабилизирующих внешних факторов (механических, климатических и т.д.). Наибольшую же опасность представляет влияние полей ионизирующих излучений космического пространства, приводящее к возникновению разных обратимых и необратимых (катастрофических) эффектов (таблица 1). Поэтому вероятность безотказной работы бортовых систем и, как следствие, длительность срока активной эксплуатации во многом зависит от радиационной стойкости применяемых электронных компонентов. Широкую линейку продукции, обладающей долговременной надежностью и стабильной работой без ухудшения рабочих характеристик при суммарной поглощенной дозе ионизирующих излучений (TID) более 100 крад предлагает компания Microsemi [1].
Корпорация Microsemi была основана в 1960 году и на сегодняшний день это один из крупнейших производителей аналоговых, цифро-аналоговых и дискретных компонентов. Продукция Microsemi используется для создания высоконадежных, высокопроизводительных решений в области радиосвязи, промышленности, автомобилестроения, медицинского оборудования, а также для нужд военных и авиационно-космических приложений. Компания имеет собственный многолетний опыт изготовления радиационно-стойкой продукции, но в ассортименте, до недавнего времени, присутствовали в основном дискретные компоненты (транзисторы, реле и т.д.). Приобретение в 2010 году компании Actel, известного лидера в области производства радиационно-стойких ПЛИС, выпускающего до 80% мирового объема этих изделий для бортового оборудования космических аппаратов, позволило значительно расширить линейку продукции космического назначения и предложить разработчикам комплексные решения от одного производителя.
В настоящее время номенклатура радиационно-стойких ПЛИС компании включает в себя как многократно программируемые ИС на основе Flash-технологии, так и однократно программируемые на основе технологии прожигаемых перемычек (Antifuse). К многократно программируемым относятся микросхемы RT ProASIC3, которые сохраняют возможность перепрограммирования в системе при дозе поглощенной радиации до 15 крад и сохраняют работоспособность при поглощенной дозе 25 крад. Однократно программируемые ПЛИС, включающие в себя семейство RTSX-SU (улучшенная версия коммерческой серии SX-A), и специально разработанные семейства RTAX-S/SL, RTAX-DSP отличаются не только повышенными значениями максимальной дозы поглощенной радиации с сохранением функциональности (100 и 300 крад соответственно), но и имеют ряд других преимуществ. Прежде всего, это рекордная надежность, гарантирующая не более 10 сбоев на 109 часов наработки, чрезвычайно низкое энергопотребление, большая логическая емкость (до 4 млн. системных вентилей) и высокая системная производительность (свыше 500 МГц). Микросхемы семейств RTAX обладают устойчивостью к тиристорному эффекту при облучении частицами с ЛПЭ (типовые значения линейных потерь энергии заряженных частиц в материале, при которых начинают наблюдаться одиночные эффекты) более 117 МэВ•см2/мг, устойчивостью к изменению состояния регистров при облучении частицами с ЛПЭ более 37 МэВ•см2/мг и изготавливаются в специальных разработанных корпусах CQFP и CCGA/LGA, предназначенных для применения в космических аппаратах. Высокая надежность ПЛИС подтверждена сертификатом высшего уровня качества для ИС космического назначения (QML класс V и Q) [2].
Для питания ПЛИС ранее отмеченных серий необходимо применять радиационно-стойкий источник питания с несколькими низковольтными высокостабильными выходами. При решении этой задачи можно использовать преобразователь напряжения с удовлетворяющими характеристиками от любого заслуживающего доверия производителя. Но по сравнению с обычными электронными компонентами промышленного назначения радиационно-стойкие полупроводниковые продукты выпускаются ограниченным числом производителей. Кроме того, большинство изготовителей предлагают только определенные виды изделий, например, реле или транзисторы. Инженерам-разработчикам часто приходится выбирать элементную базу от разных поставщиков, что способствует появлению при проектировании дополнительных рисков из-за их совместимости. Это связано с тем, что электрические испытания, в том числе и тестирование на радиационную стойкость, выполняемые разными производителями при выходном контроле, могут несколько отличаться, как и гарантированные технические характеристики радиационно-стойких компонентов. Более надежный подход – использовать в разрабатываемом устройстве компоненты от одного производителя (силовые, аналоговые, цифровые и т.д.). Широкий спектр продукции Microsemi, тестируемой для возможной совместной работы, предоставляет эту возможность. Рассмотрим далее способ организации питания ПЛИС семейств RTAX при помощи микросхем преобразователей напряжения от компании Microsemi [3].
ОСОБЕННОСТИ ЦЕПЕЙ ПИТАНИЯ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ПЛИС СЕРИЙ RTAX-S/SL И RTAX-DSP
Как известно, основное назначение системы управления питанием ПЛИС – обеспечение самой ПЛИС и сопряженных с ней схем стабилизированным напряжением во всех режимах работы в заданных пределах изменения нагрузки. При этом на выбор подходящего решения влияет ряд факторов, среди которых важное значение имеют условия среды эксплуатации, флуктуации входного напряжения, наличие дополнительных защитных функций. К тому же по потребляемой мощности ПЛИС значительно отличаются от других интегральных схем. На ПЛИС реализуется неограниченное число всевозможных конфигураций схемы, работающих на разных тактовых частотах и, следовательно, потребляющих разную мощность. А так как исходными данными для проектирования системы питания ПЛИС является потребляемая мощность, разработчик должен иметь максимально четкое представление о проектируемой системе. Для этого необходимо определить:
• Тактовую частоту ПЛИС;
• Количество задействованных ресурсов ПЛИС;
• Скорость передачи данных, осуществляемых ПЛИС;
• Число необходимых питающих напряжений и отдельных источников питания;
• Диапазон рабочих температур.
ПЛИС семейства RTAX состоят из цифровых логических вентилей, встроенной статической RAM памяти, цепей синхронизации и нескольких входных/выходных буфферов. Для питания отдельных функциональных блоков ПЛИС используются различные уровни напряжения. Помимо обязательного для всех ПЛИС источника питания ядра, большинство сложных ПЛИС, к которым относится семейство RTAX, испытывают потребность и в отдельных источниках напряжения для блоков ввода/вывода и для дополнительных функциональных цепей: 
Vсс – напряжение питания ядра ПЛИС. Является основным питающим напряжением, для семейства RTAX используется источник с выходным напряжением 1,5 В, от тока которого, во многом, зависит общее энергопотребление ИС. Величина потребляемого тока Icc определяется его статической и динамической составляющими. Статический ток имеет постоянное значение, которое можно узнать из спецификации. Динамический же ток пропорционально возрастает с частотой функционирования проекта и зависит от количества используемых логических ячеек, характера логической структуры проекта на кристалле, параметров режима внешних выводов ПЛИС и т.д.
Vccibx – напряжение питания блоков ввода/вывода (х = 0..7). Все восемь блоков в зависимости от требований разработчика могут запитываться от источников с напряжениями 1,5; 2,5 или 3,3 В. Динамическая составляющая тока Icccbx зависит от стандартов, по которым сконфигурированы отдельные цепи ввода/вывода, количества блоков, рабочей частоты и т.д. Ток Icccbx обычно имеет величину, сравнимую со значением Icc.
Vccda – напряжение питания вспомогательных блоков ПЛИС, к которым, например, относятся дифференциальные усилители интерфейсов, модуль JTAG отладки, устройства управления тактовой частотой и т.д. Данные устройства более чувствительны к шуму, и поэтому Vccda имеет более высокие требования по развязке для минимизации наведенного шума. Напряжение Vccda может принимать два значения 2,5 или 3,3 В. Ток Iccda по сравнению с Icc и Icccbx имеет на порядок меньшее значение.
Vpump – вход напряжения питания от внешнего “зарядового насоса”. Может быть подключен к источнику с напряжением 3,3 В либо через резистор с сопротивлением 1 кОм подтянут к общему проводу. В последнем случае будет использоваться встроенный генератор подкачки заряда.
Так как общее энергопотребление ПЛИС в значительной степени зависит от индивидуального схемотехнического решения, то для рассчета необходимо уточнить степень использования кристалла, производительность проектируемой схемы и т.д. Возьмем, для примера, разрабатываемое устройство на базе ПЛИС RTAX250SL-CG624, детальные характеристики системы приведены в таблице 2.
Для оценки общей величины энергопотребления компанией Microsemi предлагается удобный программный продукт [4], представляющий собой макрос для программы Microsoft Excel. Воспользовавшись данным инструментом, получили следующие результаты (таблица 3).
Далее следует определить максимальную мощность, которую ПЛИС RTAX-S в корпусе CG624 способна отвести и убедиться, что рассеиваемая мощность разрабатываемой системы не превышает этой величины. Так как оборудование космического назначения функционирует в условия отсутствия атмосферы, то для отвода тепла используются системы принудительного охлаждения, при этом радиатор охлаждающего контура непосредственно связан с корпусом микросхемы. Для подсчета воспользуемся следующим выражением:
, где
TПЛИС – максимальная температура ПЛИС, ºС;
TP – максимальная температура радиатора, ºС;
θПЛИС – тепловое сопротивление RTAX250SL в корпусе CG624, ºС/Вт;
θТП – тепловое сопротивление термопасты, ºС/Вт.
По результатам рассчета видно, что существует значительный запас по теплоотводу.
РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ КОМПАНИИ MICROSEMI ДЛЯ ПИТАНИЯ ПЛИС
Как только определена максимальная мощность и требуемые напряжения питания ПЛИС, можно выбрать тип преобразователя. Для питания ПЛИС предназначены как линейные, так и импульсные преобразователи напряжения, отличительные особенности которых приведены в таблице 4.
Рассмотрим подробнее предлагаемое Microsemi семейство радиационно-стойких высоконадежных источников питания, состоящее из DC/DC преобразователей типа POL (серия MHP856X), гальванически изолированных SA50-28/120 и SA30-100 с высокой выходной мощностью, линейных регуляторов MHL117X, выполненных по гибридной технологии, и линейных стабилизаторов напряжения MHL860X/MHL870X со сверхмалым падением напряжения.
Импульсные POL преобразователи
Преобразователи типа POL (point-of-load), размещаемые в непосредственной близости от питаемого функционального узла, представлены семейством MHP856X (таблица 5).
Данные компоненты обеспечивают максимальную гибкость благодаря набору вспомогательных функций и разработаны для формирования стабильного напряжения в жестких условиях окружающей среды (при рабочих температурах от –55 до +125 °С и воздействии радиации) [5]. Они обладают превосходной радиационной стойкостью: значение суммарной дозы поглощенного ионизирующего излучения до 300 крад, также гарантируется отсутствие одиночных эффектов при значениях пороговых линейных потерь энергии (ЛПЭ) ионов в веществе до 58 МэВ*см2/мг. Диапазон входных напряжений от 4,5 до 16 В постоянного тока, выходное напряжение фиксированное либо регулируемое в пределах от 0,5 до 4 В с погрешностью установки, не превышающей 1%. Низкий уровень пульсаций и шумов обеспечивается встроенными фильтрами на входе и выходе, а выходной ток может достигать 18 А (для 4-канального преобразователя). Среди вспомогательных и защитных функций стоит отметить возможность параллельного включения преобразователей, плавного запуска для уменьшения токовой перегрузки при включении, использования внешней синхронизации частоты преобразования, наличие дистанционного включения/выключения, контроля тока, защиты от перегрузки и короткого замыкания.
Понижающий ШИМ контроллер, катушка индуктивности, фильтрующие конденсаторы на входе и выходе объединены в одном компактном металлическом корпусе. Высокое значение КПД (до 87%) в широком диапазоне выходных мощностей уменьшает проблемы, связанные с рассеиваемой тепловой мощностью (рис. 1). В зависимости от количества выходных каналов, а также от величины выходного тока применяются три вида малогабаритных герметичных корпусов: 5-выводный MO-078 (27х32х8 мм), 16-выводный SIP (35,3х36х9,8 мм) и 42-выводный Flat pack (82,5х82,5х11,2 мм).
Отдельного внимания заслуживают четырехканальные регуляторы MHP8566A и MHP8567A. Данные модули состоят из четырех независимых POL преобразователей, полностью эквивалентных модулю MHP8564S. В отличие от MHP8566A, оптимизированного для входного напряжения 5 В, преобразователь MHP8567A использует 12 В шину питания, а выход регулируется в пределах от 0,5 до 10 В. Возможность параллельного соединения каждой из четырех частей в произвольной комбинации позволяет использовать MHP8566A и MHP8567A для питания одной или нескольких нагрузок.
Изолированные DC/DC преобразователи с высокой выходной мощностью
Новые серии радиационно-стойких гальванически изолированных DC/DC преобразователей SA50-28, SA50-120 и SA30-100, предназначенные для применения в аппаратуре военных и коммерческих космических аппаратов, характеризуются высокой выходной мощностью до 50 Вт и КПД свыше 86% [6]. В настоящее время для разработчиков доступны несколько модификаций, отличающиеся входными напряжениями, адаптированными для стандартных шин питания 28 и 100 В, а также различными комбинациями выходного напряжения и тока. Изготовленные в унифицированном корпусе, DC/DC преобразователи имеют от 1 до 3 выходных каналов со значениями +3,3В/+5В (4/6А), ±12В/±15В (1/1,25А), выходное напряжение можно регулировать в пределах ±10%. Данные DC/DC модули обеспечивают реализацию всех этапов преобразования напряжения, способствуют снижению веса разработки, стоимости и размера силовой подсистемы. Они могут быть подключены непосредственно к солнечным батареям космического аппарата, и выдавать напряжения, необходимые для питания ПЛИС, DSP, микроконтроллеров, центральных процессоров, и других цифровых и аналоговых компонентов. Все преобразователи обладают функциями защиты от перегрузки по току, короткого замыкания и пониженного входного напряжения, дистанционного включения/выключения и внешней синхронизации. Среднее время наработки на отказ 5 млн. часов при эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур от -55 до +125 °С. Радиационная стойкость по общей накопленной дозе достигает величины 100 крад, что соответствует требованиям стандартов MIL-STD-1547B и MIL-STD-461. Типовая схема подключения приведена на рис. 2, она не требует использования дополнительных внешних компонентов за исключением фильтрующих конденсаторов с низким ESR на входе.
Линейные преобразователи с регулируемым выходом
Данное семейство в настоящее время представлено сериями линейных стабилизаторов положительного (MHL117X) и отрицательного (SGR137x) напряжений, а также регулятором SGR117A с рекордным показателем TID [7]. Все компоненты, сертифицированные на основе требований стандарта MIL-PRF-38534 (Класс K) для применения в аппаратуре космических аппаратов и военном оборудовании, изготавливаются в виде герметизированных модулей в малогабаритных корпусах D-Pack (MHL117X) и TO-3, TO-66, TO-39, TO-257 (SGR137x и SGR117A). Минимальная накопленная доза, при которой начинают проявляться радиационные эффекты составляет не менее 100 крад, кроме того, гарантирована высокая стойкость к возникновению одиночным событий: отсутствие однократных восстанавливаемых отказов (SET) при ЛПЭ до 15 МэВ*см2/мг и тиристорных эффектов (SEL), вызванных ионизацией, до 87,4 МэВ*см2/мг.
Все внутренние компоненты стабилизаторов тщательно отобраны, и их параметры зафиксированы для гарантии надежной работы при заданных условиях окружающей среды. Это прекрасный выбор для устройств, где требуются высокая радиационная стойкость и стабильное выходное напряжение с малым уровнем шума. Серия MHL117X с максимальным выходным током 1,5 А характеризуется широким диапазоном входных напряжений (до 40 В). Регулировка выходного напряжения в пределах от 1,25 до 37 В осуществляется при помощи двух внешних резисторов, при этом погрешность его установки не превышает 1%. Выходное напряжение серии SGR137x может принимать значения от -1,25 до -36 В с погрешностью в 1% при входных 40 В. Превосходная температурная стабильность во всем рабочем диапазоне от -55°C до 125 °C, наличие защиты от превышения температуры и схемы ограничения выходного тока обеспечивают безопасное функционирование питаемого оборудования. Регулятор SGR117A представляет собой высоконадежную радиационно-стойкую версию широко известных LM117A и LM117. Гарантирует стабильное выходное напряжение от 1,25 до 36 В и ток нагрузки до 1,5 А при суммарной поглощенной дозе радиации до 1000 крад.
Линейные стабилизаторы напряжения со сверхмалым падением напряжения
Для питания устройств, требовательных к уровню шумов, предпочтение зачастую отдается линейным стабилизаторам напряжения со сверхмалым падением напряжения. Основное требование, предъявляемое к стабилизаторам данного типа – высокая точность выходного напряжения, сохраняющаяся в условиях воздействия переменной температуры, радиации и других дестабилизирующих факторов. Линейные стабилизаторы положительного напряжения MHL860X (рис. 3) и MHL870X со сверхмалым падением напряжения и радиационной стойкостью до 300 крад изготавливаются в герметичных корпусах MO-078 и SIP-7 соответственно (таблица 6). Они позиционируются для применения в аппаратуре космических аппаратов в качестве локализованных к нагрузке стабилизаторов, а также для дополнительной стабилизации напряжения после DC/DC преобразователей [8].
Компоненты данной серии оптимизированы для входных напряжений +5 и +3,3 В, падение напряжения не превышает 0,4 В для 3 А версии и 0,6 В для 5 А, выходное напряжение при этом может быть фиксированным либо регулируемым в пределах от 1,265 до 4 В. Встроенные фильтрующие L-C цепочки проходят испытания в соответствие с методами, изложенными в стандартах MIL-PRF-123 и MIL-PRF-55365. Возможность дистанционного отключения и защита от превышения заданной температуры обеспечивает безопасность эксплуатации. Все компоненты проходят испытание на соответствие требованиям стандарта MIL-PRF-38534, производителем гарантируется отсутствие одиночных эффектов при ЛПЭ до 85 МэВ*см2/мг.
Вернемся к нашей условно проектируемой системе (рис. 4). На основании вышеизложенной информации и требований из таблицы 3 определимся с DC/DC преобразователями. Выбранные преобразователи отличаются наличием дополнительного входа дистанционного отключения, так как зачастую для некоторых типов ПЛИС необходима определенная последовательность подачи питающих напряжений:
1. Выбор преобразователя для питания ядра RTAX-S. Для питания ядра ПЛИС напряжением 1,5 В и током 248 мА выбираем преобразователь MHP8565 (максимальный выходной ток 1250 мА). Согласно справочной информации при таком токе нагрузки КПД составит 87%. Тогда требуемый входной ток должен быть Iвх = (1,5 В * 248 мА) / (87% * 5 В) = 85 мА.
2. Выбор преобразователя для питания входных/выходных блоков RTAX-S. Выбираем преобразователь из этой же серии MHP8565, но с выходным напряжением 3,3 В (максимальный выходной ток 3000 мА). Требуемый входной ток составляет = (3,3 В * 231 мА) / (87% * 5 В) = 175 мА.
Также в качестве альтернативы можно использовать один четырехканальный MHP8566 для питания как ядра, так и входных/выходных блоков.
3. Выбор первичного источника питания. Суммарный ток, потребляемый двумя стабилизаторами MHP8565 равен 85 + 175 = 260 мА. В качестве источника питания с выходным напряжением 5 В, выбираем DC/DC преобразователь SA50, работающий со стандартными шинами 28 или 120 В (максимальный выходной ток 4000 мА). В первом случае его КПД составит 83%, во втором – 86%. В результате получаем надежную радиационно-стойкую схему питания с минимумом внешних компонентов и высокими показателями наработки на отказ.
Аналогичным образом производится выбор линейных стабилизаторов для организации схемы питания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Надёжность функционирования оборудования космического назначения непрерывно связана с качеством его источников питания. Выбор импульсных и линейных преобразователей напряжения компании Microsemi, необходимых для построения системы питания высокопроизводительных ПЛИС, производится с учетом множества факторов, ключевое значение среди которых имеют радиационная стойкость, стабильность выходного напряжения и уровень его шумов, а также высокая наработка при эксплуатации в жестких условиях окружающей среды. Радиационно-стойкие преобразователи питания компании Microsemi представляют собой разумный компромисс между качеством и стоимостью конечных изделий. Преобразователи с регулируемыми и фиксированными выходными напряжениями обеспечивают высокие показатели эффективности и технические характеристики, соответствующие требованиям к питанию современных цифровых нагрузок. Компоненты доступны в малогабаритных корпусах, приспособленных для условий космического полета, и требуют минимального количества дополнительных элементов для построения высоконадежных стабилизаторов питания.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) Официальный сайт компании Microsemi www.microsemi.com.
2) Microsemi Product Portfolio 2013-2014. www.microsemi.com.
3) Application Note. Designing Radiation-Tolerant Power-Supplies for the RTAX-S/SL/DSP FPGA. September 2012.
4) www.microsemi.com/soc/documents/AX_RTAXSPowerCalculator.zip
5) Alan Tasker. Application Note. Radiation Hardened Point-of-Load Regulators, MHP8564/8565/8566/8567. – 2011.
6) Technical Datasheet. Radiation Hardened Isolated DC/DC Converters SA50-28-5/15T. Rev A.
7) Advanced Datasheet. Rad Hard 1.5 Amp Three Terminal Adjustable Voltage Regulator SGR117A. Rev. 1.2
8) Technical Datasheet. MHL117/MHL117A/MHL117B/MHL117Q. Rev.9.
