太空中的電子系統(tǒng)面臨諸多危險(xiǎn)，包括持續(xù)受到電磁波和粒子輻射的影響。半導(dǎo)體器件特別容易受到粒子輻射的影響，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障甚至永久性損壞。

然而，并非所有太空應(yīng)用都需要相同程度的輻射防護(hù)。例如，深空探測(cè)任務(wù)使用昂貴的耐輻射強(qiáng)化組件；而當(dāng)今的新太空應(yīng)用，如運(yùn)行在 LEO（低地球軌道）和 MEO（中地球軌道）的衛(wèi)星，則只需要“耐輻射”的組件和電路。

如圖 1 所示，電磁波輻射和粒子輻射雖然相關(guān)，但對(duì)系統(tǒng)的影響卻有所不同。單個(gè)粒子的質(zhì)量雖小，但可以加速到極高的速度。它們還可能攜帶電荷——通常由于原子軌道中的負(fù)電荷電子被剝離而帶正電荷。

圖 1：輻射譜。

粒子輻射可能造成物理?yè)p壞，尤其是對(duì)半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的破壞，這種損傷可能是永久性的和/或累積性的。當(dāng)電子被拖入耗盡區(qū)并使非導(dǎo)電區(qū)導(dǎo)電時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性故障。

另一方面，如果正離子取代晶體矩陣中的摻雜原子，就可能造成永久性損傷，使不應(yīng)導(dǎo)電的半導(dǎo)體開始導(dǎo)電，從而因電路故障而造成永久性損壞。

很大一部分輻射損傷是累積性的，所以任務(wù)的持續(xù)時(shí)間將始終是一個(gè)無(wú)法回避的因素。

最佳實(shí)踐

在當(dāng)今迅速發(fā)展的新太空商業(yè)環(huán)境中，發(fā)射和更換失效衛(wèi)星的成本十分高昂，因此精心設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

選擇耐輻射的組件。某些半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)改進(jìn)了耐輻射性能。雙極型半導(dǎo)體可以根據(jù)位移損傷等級(jí)進(jìn)行選擇，而寬帶隙（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）具有固有的耐輻射能力。某些環(huán)氧樹脂和鋁電解電容在真空中會(huì)釋放氣體，因此不適合在太空環(huán)境中使用。

考慮到不同批次之間的差異，應(yīng)對(duì)多批次產(chǎn)品的耐輻射性能進(jìn)行抽樣測(cè)試。

可以采用多重冗余設(shè)計(jì)。物理冗余是一種保障措施。如果一個(gè)系統(tǒng)失效，另一個(gè)可以接替工作。在某些系統(tǒng)中，有三個(gè)并行運(yùn)行的系統(tǒng)，如果其中一個(gè)與另外兩個(gè)不一致，其輸出就可以被忽略。

可以降低功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的額定值，這樣即使在不可避免的柵源電壓（VGS）閾值降級(jí)后，器件在任務(wù)結(jié)束時(shí)仍能正常工作。

屏蔽可以保護(hù)敏感的電子設(shè)備，但如果粒子能量足夠高，級(jí)聯(lián)的屏蔽粒子反而可能加劇問(wèn)題。

可以添加電路來(lái)監(jiān)控性能，如果故障可恢復(fù)，則可以斷開并重啟不一致的系統(tǒng)。

然而，無(wú)論采用什么設(shè)計(jì)策略和電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，新太空電子系統(tǒng)都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的分析、仿真和測(cè)試，以確保其環(huán)境和耐輻射性能。

帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（相比于硬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器）能夠降低寄生效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響，如增加開關(guān)組件的電壓應(yīng)力引起的振鈴現(xiàn)象。

評(píng)估拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮的因素包括功率密度、效率、瞬態(tài)響應(yīng)、輸出紋波、電磁干擾（EMI）輻射以及成本。

MOSFET 的開關(guān)損耗主要來(lái)自柵極電荷需求和漏源電容。

隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗也會(huì)增加，這就限制了開關(guān)頻率的進(jìn)一步提升。體二極管的導(dǎo)通損耗進(jìn)一步降低了硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率。

雖然 GaN FET 沒(méi)有物理的體二極管，但它們確實(shí)有一個(gè)電壓為幾伏特的反向?qū)Ｊ?，這使得 GaN器件的死區(qū)導(dǎo)通期變得非常難以管理。

在同步硬開關(guān)降壓拓?fù)渲?，高?FET 在其兩端電壓最大時(shí)開啟，并在工作周期的開通階段導(dǎo)通最大電流（如圖 2 左側(cè)所示）。輸入電壓越高，功率損耗就越大，因此在高電壓比應(yīng)用中（如 28V 降至 3.3V），轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)比轉(zhuǎn)換比更高的轉(zhuǎn)換器（如 5V 降至 2.5V）要差。

圖 2：拓?fù)浼纳?yīng)。傳統(tǒng)硬開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器（左）與零電壓開關(guān)（ZVS）降壓轉(zhuǎn)換器（右）對(duì)比。

“在當(dāng)今迅速發(fā)展的新太空商業(yè)環(huán)境中，發(fā)射和更換失效衛(wèi)星的成本十分高昂，因此精心設(shè)計(jì)至關(guān)重要。”

軟開關(guān)的優(yōu)勢(shì)

軟開關(guān)技術(shù)可以減少開關(guān)損耗。零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)是軟開關(guān)的一種典型應(yīng)用，它提高了各種電源拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換效率。ZVS 在開關(guān)電壓接近零或?yàn)榱銜r(shí)開啟高邊 FET（參見圖 2 右側(cè)）。

利用 ZVS 技術(shù)操作鉗位開關(guān)，可以在高低邊開關(guān)都關(guān)閉時(shí)，在輸出電感中儲(chǔ)存少量能量。轉(zhuǎn)換器利用這部分原本會(huì)被浪費(fèi)的能量來(lái)對(duì)高邊 FET 的輸出電容進(jìn)行放電，并給同步 FET 的輸出寄生電容充電。

通過(guò)消除 FET 輸出電容在開關(guān)開啟過(guò)程中的影響，設(shè)計(jì)人員可以不用過(guò)分關(guān)注柵極-漏極電容（Cgd），而將注意力集中在導(dǎo)通狀態(tài)下的通道電阻上，而不是通道電阻與柵極電容的乘積等傳統(tǒng)的性能指標(biāo)。

這種在開啟期間驅(qū)動(dòng)高邊 FET 的方法可以避免激發(fā)開關(guān)的寄生電感和電容，這些寄生參數(shù)在硬開關(guān)拓?fù)渲型鶗?huì)產(chǎn)生諧振，引起大幅電壓尖峰和振鈴（見圖 3a）。通過(guò)消除尖峰和減少振鈴（見圖 3b），ZVS 技術(shù)不僅減少了一個(gè)功率損耗項(xiàng)，還消除了一個(gè)電磁干擾（EMI）源。

圖 3：硬開關(guān)與軟開關(guān)波形對(duì)比。

通過(guò)消除開關(guān)過(guò)程中的電壓尖峰，設(shè)計(jì)人員可以選用導(dǎo)通電阻（RDSON）更低的低電壓場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），從而提高效率。

Vicor 是眾多開發(fā)軟開關(guān)技術(shù)的公司之一，并將其運(yùn)用于耐輻射電源模塊解決方案，為中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）衛(wèi)星應(yīng)用的高性能通信 ASIC 供電（見圖 4）。這些系統(tǒng)模塊在 PRM（電源調(diào)節(jié)模塊）中使用零電壓開關(guān)（ZVS）降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而在 BCM（母線轉(zhuǎn)換器模塊）和 VTM（電壓轉(zhuǎn)換器模塊）中則同時(shí)運(yùn)用了零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）正弦幅值轉(zhuǎn)換器（SAC）技術(shù)。

圖 4: 高功率諧振（零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)）拓?fù)淠K。

電壓轉(zhuǎn)換模塊（VTM）體積小巧，可以盡可能靠近 ASIC 放置。在滿足現(xiàn)代 ASIC、FPGA、CPU 和 GPU 等的大電流需求時(shí)，優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）至關(guān)重要。

因此，Vicor 公司的模塊結(jié)合了軟開關(guān)方案、耐輻射的有源組件和車規(guī)級(jí)無(wú)源組件。

為了降低單事件功能中斷的影響，所有耐輻射模塊都包含完全冗余的并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)。如果一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)因單一事件而受到干擾，其保護(hù)電路會(huì)強(qiáng)制執(zhí)行斷電復(fù)位。在復(fù)位期間，冗余動(dòng)力系統(tǒng)承擔(dān)全部負(fù)載，復(fù)位完成后兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)再次并聯(lián)運(yùn)行。

設(shè)計(jì)新的太空電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)模式也是非常重要的考慮因素，此外還有許多其他因素需要權(quán)衡。