电路板级SEL防护设计优化指南

许多先进的商用CMOS和双极性电子器件和集成电路对重离子或者质子引起的单粒子效应很敏感，尤其是对单粒子锁定异常敏感，使得它们不适用于直接在卫星电子设备和系统中使用。我们知道，采用固有SEL免疫工艺制造集成电路的费用成本非常昂贵，而且技术实现上也存在一定困难，因此在航天电子系统设计中，加入针对单粒子锁定的保护和恢复电路已实现了广泛应用。

针对单粒子锁定，可以设计防护电路用于对锁定敏感器件的保护。一般来说，锁定防护电路应具有以下几个方面的功能：①为器件提供限流作用；②发生SEL时检测电流是否超过预定阈值；③电流超过阈值时，切断电源以保护电路；④电路断电并保持一段时间；⑤恢复重启器件的供电电源。对大多数单粒子锁定敏感器件来说，可以实现单粒子锁定防护和恢复电路（LPT）的设计及应用，在电路设计中，电流锁定保护阈值和电源断电持续时间由被测敏感器件的特性决定。防护和恢复电路或器件通过将单粒子锁定转换为可恢复事件的方式影响卫星电子系统，利用飞行任务的具体信息和轨道辐射数据，能计算得到可恢复事件率。可恢复事件数和事件率与飞行任务期间器件遭遇的辐射粒子通量、能量和种类有关。

在介绍锁定防护电路设计时，本节主要依据具体被防护电路来介绍设计与试验测试中涉及的具体过程及方法。试验测试表明，某器件（例如，模/数转换器ADS7805）在低LET值情形下就对SEL很敏感，对该转换器可利用防护电路进行单粒子锁定防护。具体地说，ADS7805集成电路的电流从模拟电源引脚和数字电源引脚流过，防护电路（这里称之为LPTTM电路）必须要能检测流入电源引脚的电流，当电流超过了锁定电流阈值时能切断供电电源。在器件的供电电源切断期间，电流由LPTTM电路唯一提供。经过一定的单粒子锁定消除时间间隔后，LPTTM电路重新为器件供电，恢复正常工作。

图6-30给出了发生单粒子锁定时集成电路有防护电路和无防护电路情况下的电源电流变化的一般特征。从图中可以看出，集成电路在无防护电路情况下发生单粒子锁定后，器件电流持续增大，达到锁定电流保持值，而在有防护电路情况下发生单粒子锁定后，器件电流增大到一定值后，电源断电重新供电后，锁定消除，器件电流恢复正常。如图6-30（b）所示，设计单粒子锁定防护电路（LPTTM电路）时，主要的关键参数包括锁定电流阈值IThreshold、延迟时间tD和恢复时间tREC。当电源电流超过阈值电流IThreshold时，激活LPTTM电路，在时间tD内切断电源电流（与电源地断开），器件断电持续tREC时间，随后恢复对集成电路供电。

图6-30　器件发生单粒子锁定时的电源电流变化

（a）未保护；（b）保护电路

如针对ADS7805器件，可以设计出两种防护电路用于单粒子锁定缓解。第一种防护电路是基于两个比较器和一个逻辑电平P沟道MOSFET。一个比较器用于检测电流是否超过锁定电流阈值，当电源电流超过锁定电流阈值时，输出一个持续有限时间的控制脉冲。第二个比较器给系统提供一个状态输出以表明检测到锁定，此时切断ADS7805的供电电源。逻辑电平P沟道MOSFET用作ADS7805的电源开关。第二种防护电路是利用专用集成电路实现相关功能，如用线性技术（Linear Technologies）公司的自动复位电子电路断路器LTC1153和一个N沟道的MOSFET组成的电路。LTC1153实现锁定阈值的检测、MOSFET的栅极驱动，并为系统提供输出状态，而N沟道MOSFET用于实现对ADS7805的供电电源开关功能。在上述的两个LPTTM电路设计中，器件的模拟电源输入端和数字电源输入端通过一个低阻值的电流感应电阻连接在一起，由单一的电源提供输入电压。

由于器件的工作电流和锁定电流因器件而不同，因此在设计LPTTM电路之前要对这些器件进行相关试验测试，并对关键参数实现数值表征。

一般来说，在防护电路设计初期，应对被保护电路进行单粒子锁定分析与试验验证，或依据相关辐射效应数据库的试验结果进行设计分析。例如，就ADS7805器件而言，ADS7805的模拟电源和数字电源都为5 V时，其典型工作电流是16.3 mA，器件的最大工作电流是20 mA。但是依据相关辐射效应数据库（例如，NASA JPL辐射效应数据库）的试验结果，其SEL阈值低于38 MeV·cm2/mg，这个阈值水平在空间环境下发生单粒子锁定的概率非常高，使得该器件不能直接在空间应用。

在防护电路设计过程中，可以利用实验室单粒子效应模拟源（见第4章介绍）进行初步的摸底性试验测试；例如，ADS7805芯片的单粒子锁定可利用脉冲激光源诱发产生，可利用这个特性在辐射试验之前对ADS7805进行电学特性试验测试和单粒子锁定防护电路的调试。脉冲激光辐照试验中，设定ADS7805裸片的输入电流约为650 mA，持续时间为2 ms，然后利用脉冲激光照射ADS7805裸片触发单粒子锁定测量典型光电流峰值。激光诱发产生电流消失后，测得ADS7805的锁定电流为110 mA。

在获得了防护设计电路设计时所需关键参数的初步数值以后，应完成单粒子锁定防护电路的重离子表征及验证试验，一般在重离子加速器上进行。例如，针对ADS7805器件，在两个加速器试验设备上测试获得了关键参数，并验证了ADS7805单粒子锁定防护电路的防护和恢复功能。试验测得锁定电流峰值IThreshold在146～267 mA，器件断电恢复时间范围tREC在45 μs～2.5 ms。

下面再具体介绍一款FPGA电路的单粒子锁定防护分析与试验验证过程。在回旋加速器设备上，针对一款FPGA进行了单粒子锁定试验研究，表征了器件加入了单粒子锁定防护电路后的锁定电流特性。试验测试获得的单粒子锁定截面与重离子LET值的关系如图6-31所示。试验过程中观测到了瞬态电流的明显变化。典型锁定电流在300～800 mA范围内，但是有些重离子试验中电流增大到3.5 A，而在另一些重离子试验中电流仅增大50 mA。

图6-31　器件单粒子锁定截面随LET值的变化

在锁定防护电路设计完成后，应对电路功能极其可靠性进行测试验证，如ADS7805的防护电路，可以利用锎源设备验证两种单粒子锁定防护电路的功能实现情况。另外，也有必要对保护电路中的关键器件进行性能分析，如对两个不同的比较器也进行了试验，试验观测到其中一个比较器呈现出更快的速度和更高的功耗，而另一个比较器却呈现出较慢的速度和较低的功耗。测试电路由单粒子锁定防护电路LPTTM、去盖的ADS7805和16位数/模转换电路组成，其中数/模转换电路实现ADS7805并行输出数据的综合检测。状态信号用来触发示波器捕捉供电电流变化和比较器的变化。在整个试验过程中，给ADS7805输入一个完整的正弦函数信号，用数字万用表（DMM）连续监测比较器的输出信号。

利用锎源进行试验的结果如表6-8所示。锎源产生的碎片的LET值约为42 MeV·cm2/mg。试验证明了两种单粒子锁定防护和恢复电路的功能、延迟时间和恢复时间等。

但在试验中发现，在一种试验条件下单粒子锁定恢复电路没有起作用，这是由于对ADS7805数字输入引脚的电压和电流进行了限制。从表6-8可以看出，在串联电阻为91 Ω时，电路没有恢复，此时CS、R/C和BYTE信号都是+5 V。当串联电阻增大到511 Ω时才发生锁定恢复。这个试验结果表明不仅要移除供电电源，而且也要仔细考虑被测器件的输入信号以保证输入端的驱动电压不遭受锁定影响。

表6-8　防护电路效果的验证测试结果

在回旋加速器上的试验测试进一步验证了基于LTC1153的单粒子锁定防护及恢复电路的功能，可实时观测ADS7805的单粒子锁定响应变化。试验结果如表6-9所示。(www.xing528.com)

表6-9　防护电路效果的验证测试结果

从表6-9所示的试验结果可以看出，在离子LET值为14～80 MeV·cm2/mg的范围内，都观测到了ADS7805的单粒子锁定现象，并且单粒子锁定防护和恢复电路都起到了防护作用。另外，试验确定ADS7805的SEL阈值在9.9～14 MeV·cm2/mg。

图6-32给出了发生单粒子锁定时防护和恢复电路的响应变化，图中a线显示锁定电流。试验中锁定电流循环出现断开和打开，电流尖峰对应ADS7805电源引脚连接的去耦电容的充电过程。图中b线显示了单粒子锁定防护及恢复电路对ADS7805输出端的影响，在发生锁定70 μs后被测器件恢复功能。整个试验过程中没有发生破坏性的功能失效现象，这说明针对ADS7805的锁定保护电路实现了其功能，并能在重离子照射环境下正常工作。

图6-32　被保护器件的单粒子锁定响应特征

实际上，这种锁定防护设计方法的适用性和有效性不仅经过了地面模拟试验验证，也经过了航天器的飞行验证。例如，NASA针对火星探测任务目标实现中，在有效载荷小型侦察成像光谱仪上使用了一个关键集成电路——12位双数/模转换电路AD5326，该器件在任务周期的一段时间内（18个月），总共发生了5次单粒子锁定事件，但系统仍正常工作。在进行锁定电路设计中，针对转换电路AD5326进行了地面加速器模拟试验测试，通过测试结果分析及预测，在其任务环境中每70天大约发生一次锁定事件，或在18个月内将会发生7～8次单粒子锁定事件。

上面部分主要结合具体电路，介绍了锁定防护电路设计的基本要求和关键参数，以及设计过程涉及的参数获取测试方法和验证要求。最后，介绍单粒子锁定防护及防护电路设计时需要考虑的重点问题。单粒子锁定防护设计中需要重点考虑的事项有：

（1）为了保证锁定防护电路正常工作，被测器件输入端的电流和电压需要一定限制，因此单独的循环供电不足以使器件恢复其锁定状态。

（2）对于每一个被测器件，在重离子辐照下都需合理设置SEL电流检测阈值，以正确评估器件的重离子辐照响应以及锁定防护和恢复电路的响应特性。

（3）当器件存在“微锁定”现象时，防护电路设计变得更加复杂且困难。如果微锁定电流接近器件的正常工作电流，则防护和恢复电路就无法消除单粒子微锁定。如果被测器件对微锁定很敏感，就必须利用试验测试，详细表征器件的微锁定电流。

（4）在锁定防护电路设计中，应当注意电离总剂量对防护电路本身的影响问题。例如，针对ADS7805的防护电路，在单粒子效应试验中，发现LPTTM器件对电离总剂量效应敏感。电离总剂量效应（TID）会导致总剂量水平低的器件出现供电电流增大的现象，因此锁定电流的检测阈值必须设定，且必须考虑TID引起的供电电流增加问题。

另外，需要注意的是，锁定的防护设计措施也是与航天器任务的需求密切相关的。我们知道，锁定防护的目标是允许系统在锁定事件发生后能够正常运行。在实现特定电子器件和集成电路的锁定防护措施时，设计者们应该能够了解并明确几个主要问题，第一，在航天器任务期间，单粒子锁定事件发生的概率是多少？第二，如果器件发生了锁定，对系统有影响吗？影响程度如何？第三，系统的功能是否可以与一些附加电路一起使用，以避免锁定发生或产生影响？第四，器件的详细特性是什么？

如果锁定的发生是可能的，但在任务期间发生的可能性不大，那么使用系统中已经设计的冗余来实现缓解也是可行和合适的。如果任务期内，在关键电子设备中可能频繁发生单粒子锁定事件，那么防护设计就应该考虑更全面的方案，如本节所述的方案设计，包括对器件和集成电路可能损坏的完全保护，发生锁定事件后的自主恢复，以及恢复正常的系统运行等。一般来说，在实际的工程设计中，针对单粒子锁定防护设计的解决方案常常处于上述两种极端情况之间。

总之，利用上述的锁定防护电路设计方法，可以实现电子器件和集成电路已处于封装状态下的单粒子锁定防护，也就是说，可以在电路板级下实现对敏感器件的单粒子锁定防护。