芯片抗辐射（芯片抗辐照）

设计耐辐射运动控制片上系统(SoC) 时需要考虑许多挑战。第一个设计挑战是运动控制系统本身。此类空间应用通常涉及概念化可支持各种运动控制应用的多功能组件。这涉及将电路划分为可实现的功能，这些功能可以在用于特定模块的IC 工艺的预期功率和额定电压限制内实现。

下一个挑战是工艺工程师必须找到或开发一种可以有效实现模块的耐辐射工艺技术。由于实现某些模拟功能所需的接地差异和电平转换，运动控制电路模块的电路设计很困难。由于某些常用设备由于不耐辐射而无法使用，因此电路设计任务变得更加复杂。

因此，电路设计人员必须找到创新技术来解决这些限制。必须为控制器编写数字代码，以实现必要的算法并在测试台上进行验证，测试工程师必须演示该部件在极端环境和辐射暴露下的功能。

在本博客中，我们将探讨在空间应用中实现运动控制时的七个关键挑战。

? 系统定义和规格

? 设计分区

? 电路设计

? 工艺开发和表征

? 功能分区及包装设计

? 数字IP模块开发

? 辐射测试

以Microchip 的LX7720 抗辐射电机控制器和位置传感IC 为例，我们将揭示克服这些挑战的方法。

系统定义和规格

系统定义始于对应用程序及其需求的分析。在运动控制系统中，通常有一个电动机提供机电能量转换和位置反馈来监控运动的进度。该电机通常是三相无刷直流(BLDC) 电机或步进电机，通常由22V 至150V 的卫星总线电源轨供电。可以使用编码器、霍尔效应传感器或旋转变压器来监控电机轴的运动。旋转变压器还用于监控天线等结构的旋转。如果执行器的结果是线性运动，则可以使用线性可变差动变压器（LVDT）。由于位置信息经常用于运动控制系统，因此需要具有高功率开关驱动器的集成位置传感接口。对于许多应用来说，最好有一个外部电机驱动开关来优化电机的电压和电流要求。

这些因素决定了我们的抗辐射设计电机控制IC LX7720 的基本要求。

设计分区

描述通用设计方法的第一步是在所有不同的应用程序中寻找通用元素。 BLDC 电机需要某种类型的开关装置来排序和调节流向电机线圈的电流。许多应用需要采用半桥配置的脉宽调制开关。步进电机可以使用高侧、低侧或半桥驱动器，如果是双极步进电机，则需要两个全桥输出。参见图1。

图1：两相步进电机配置。

电路设计

在设计半桥驱动器时，众所周知，N 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 作为开关通常比同等尺寸的P 沟道MOSFET 表现更好；因此，尺寸和成本效益的系统将利用所有NMOS 电源开关和浮动高侧驱动器。所有闭环电机控制算法都需要电流感应，因为电机扭矩与线圈电流成正比。多功能系统设计将提供浮动电流感测，可配置用于电源线（高压侧）感测、接地电流感测和电机端子（串联）电流感测。基于半桥配置的开关节点的电流感测提出了从大共模电压信号和极快共模转换速率中提取微小电流感测电压的挑战。

旋转变压器或LVDT 等位置传感器由一个由励磁机基准驱动的变压器初级组成。必须对变压器次级进行采样以提取位置信息。称为跟踪开关的闭环系统可以根据加速度、速度和位置误差来补偿已知的延迟。参见图2。

图2：旋转变压器和LVDT

用于控制永磁同步电机(PMSM) 的算法与控制步进电机所需的算法明显不同。多功能系统具有可编程逻辑以适应应用。使用LX7720 的多功能系统考虑了上述所有属性，如图3 所示。

图3：使用LX7720 的电机控制系统框图。

工艺开发和表征

运动控制电子器件可分为三种具体的IC 工艺要求。由于航天器中的电机可以在高达150V 的电压轨下运行，因此需要能够承受这些更高电压的工艺。

? 由于MOSFET 驱动器通常需要高电流，因此DMOS 工艺是最高效的。

? 对于-调制器的信号处理和逻辑，需要具有更高密度和更大带宽的更低电压工艺。

? 对于数字配套IC，需要非常小的几何尺寸CMOS 工艺。

采用并非专为辐射暴露而设计的商业工艺的工艺需要开发特殊的工艺设计套件(PDK) 模型，以考虑辐射暴露的影响。这涉及将设备暴露在辐射下并对其行为进行建模。当电路设计人员使用这些PDK模型来设计电路时，会考虑预期的辐射效应，并有助于通过设计使最终的电路拓扑抗辐射。

功能分区与封装设计

该系统中三个不同IC 之间划分的功能的一个示例是浮动电流检测。浮动电流检测利用高压IC 的宽动态范围与电流检测电阻器连接。初始增益级在高压工艺中实现，将其输出馈送到在5V 工艺中实现的仪表放大器。 5V IC 与数字IC 共享相同的信号地。一旦电平从浮动高电压转换到接地参考信号地，就会使用BiCMOS 工艺中实现的二阶- 调制器对模拟信号进行采样。由于较小几何形状的特性，低压工艺可以在更小的空间和更高的带宽下实现功能。调制器的输出是与数字IC 电压兼容的数据流。当在模拟前端(AFE) 和数字IC 之间路由时，数据流仅消耗一个封装引脚。参见图4。

图4：浮动电流感应设计。

在数字IC 中，专用IP 模块以AFE 5V 工艺不支持的速度执行sinc3 滤波器和抽取功能。从检测电阻器到数字控制环路的这条管道利用了它所经过的每个IC 的独特功能。高压和低压模拟硅芯片可以一起封装到一个器件中，从引脚排列的角度来看，LX7720 是一个单独的IC。这种芯片的共同封装利用了每种工艺的优势。

数字IP模块开发

使用耐辐射FPGA 或MCU 以及多功能混合信号IC 作为配套芯片是我们整体系统解决方案方法的精髓。用于电机控制功能的数字信号处理可分为多个功能块，以提供最大程度的IP 重用。根据所需控制算法的类型，可以在应用程序中添加或删除功能。可以通过设置变量来自定义各个块。请参见图5。控制性能权衡的变量示例是sinc3 滤波器IP 块中的抽取率设置。过采样率较高的信号将具有较高的分辨率，但代价是较长的延迟。 Microchip 的Libero SoC 等CAD 设计工具允许对模块进行配置和定制。

图5：延迟和分辨率之间的抽取权衡

IP模块开发的设计流程要素：

? 确定模块输入和输出

? 指定系统要求

? 开发系统数学模型

? 生成HDL 代码

? 创建分层块

? 在顶层进行模拟

? 使用硬件进行测试

辐射测试

LX7720 的辐射耐受性可通过以下方式确定：以约100 拉德/秒的速度测试TID 至50 krad 的总电离剂量，使用50.0 拉德/秒的增强低剂量率测试至0035 krad 的ELDRS，并使用1 x 108 的通过率ppm/cm 数量和约85 MeV/mg-cm2 的线性能量转移(SEE) 单粒子效应。单事件闩锁(SEL) 是通过将电源轨调整至最大电压电平来测量的。单事件瞬态(SET) 测试可监控电源轨输入电流和稳压输出电压。我们还监控传感器调制输出和驱动器输出的毛刺和偏移。在移除电源轨的情况下测试SET 的冷待机漏洞。对于单事件翻转(SEU)，我们运行扫描链测试例程，该例程循环监控锁存数据的完整性。单事件功能中断(SEFI) 可能发生在上电复位或UVLO 线上，这可能会引发错误复位。

审稿编辑：郭婷