单粒子瞬态现象的描述与分析

空间应用的电子系统都需要对器件和系统的单粒子效应响应特征做出评估和预测分析。随着电子器件和集成电路的单粒子翻转加固设计工艺的不断完善，并且在卫星电子系统设计中广泛采用检错纠错（EDAC）等防护设计技术，空间电子系统的抗单粒子翻转诱发故障的能力不断提高。但是随着新型电子器件在航天器电子设备中的不断应用，空间高能带电粒子在电子系统部件中产生的单粒子瞬态脉冲诱发的系统级故障随之增多，日益成为航天器电子设备和系统在轨正常工作所面临的技术难题。1992年，美国国家航空航天局（NASA）技术试验卫星TOPEX/Poseidon在发射后运行不久就由于单粒子瞬态现象诱发了航天器系统故障。在随后的几年里，美国国家航空航天局发射成功的TDRS卫星、CASSINI卫星及SOHO等卫星也发生了由单粒子瞬态现象诱发的系统故障。直到2001年，NASA发射的探测宇宙大爆炸遗留微波辐射的卫星也由于单粒子瞬态现象诱发了系统故障，造成大量科学试验数据的丢失。近年来，国内在轨运行卫星也由于单粒子瞬态现象诱发的系统故障频频发生，2017年，我国通信卫星由于单粒子瞬态现象诱发了某电源设备掉电，使信号转发造成中断。

一般的单粒子瞬态现象主要发生在线性电路中，如运算放大器、电压比较器、A/D转换器、采样/保持放大器、混合逻辑电路、输入/输出电路、脉宽调制器、光电探测器和计时器等。当器件中发生单粒子瞬态现象时，器件的输出可能出现错误，并在器件中诱发误码，错误输出和误码传播可能造成电子系统发生故障。如果空间带电粒子产生的单粒子瞬态电流脉冲足以影响下一级电路的输出，就会使电路输出出现错误，影响其所在电子系统发生各种指令和逻辑错误，从而造成系统功能的紊乱。随着星载电子系统运行速度的不断提高，一个单粒子瞬态扰动都有可能导致系统出错。有关试验测试及卫星电子设备在轨运行表明，在航天器电子系统构成的各个部件中，输入/输出型器件（如A/D转换器和电压比较器）或部件（如DC/DC转换器）的单粒子瞬态现象是单粒子效应在系统级上产生故障的主要原因之一，如国内外地面测试试验和卫星在轨故障现象证实，卫星电子设备中最常用的DC/DC转换器中的单粒子瞬态现象会造成整个系统发生严重故障，而针对数字电路开发的EDAC设计方法难以解决这种瞬态翻转带给系统的故障或失效。单粒子效应诱发的系统级故障指部件中的单粒子翻转能够在系统中传播并造成系统工作紊乱或失效，有关单粒子效应诱发系统级故障的特点和分析将在后面第5章节作专门介绍。而线性电路中的单粒子瞬态现象最容易在系统中传播，并形成系统级故障，因此线性电路中的单粒子瞬态现象及其诱发的系统故障是现阶段航天器电子系统设计面临的主要技术难题。(www.xing528.com)

在针对单粒子瞬态现象的研究中，许多作者及研究机构开展了许多方面的研究工作，美国国家航空航天局有关实验室针对典型的线性电路和混合逻辑电路，如运算放大器LM124、OP-27、OP470，电压比较器LM139，A/D转换器AD9713等器件专门开展了重离子和脉冲激光诱发的单粒子瞬态现象的试验研究，并在模拟试验研究的基础上，对线性电路单粒子瞬态现象的测试方法进行了总结分析。国内相关单位在此方面也开展了探索性研究，如针对54系列器件，在激光模拟单粒子效应试验系统上，初步开展了单粒子瞬态效应模拟试验技术研究，试验中观测到了单粒子瞬态现象，分析和总结了单粒子瞬态效应测试技术。本节主要对相关研究成果从基本机理和现象分析上作一基本说明和叙述。