จัดการกับความท้าทายด้านรังสีที่รุนแรง: โซลูชันการออกแบบและการใช้งานสำหรับโมดูลพลังงานที่มีความแข็ง-

โมดูลพลังงานแบบแผ่รังสี-แข็งเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบพิเศษที่ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งเต็มไปด้วยรังสีไอออไนซ์ ต่างจากแหล่งจ่ายไฟแบบทั่วไป โดยใช้เทคโนโลยีพิเศษในทุกด้านตั้งแต่วัสดุชิปและการออกแบบวงจรไปจนถึงกระบวนการบรรจุภัณฑ์ ทำให้มั่นใจได้ว่าแหล่งจ่ายไฟจะต่อเนื่อง เสถียร และเชื่อถือได้สำหรับโหลดที่สำคัญในสถานการณ์ต่างๆ เช่น พื้นที่รอบนอกของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

หลักการของการแผ่รังสี-โมดูลพลังงานที่แข็งตัว

วัตถุประสงค์หลักของการแผ่รังสี-การออกแบบให้มีความแข็งแกร่งขึ้นคือการต้านทานความเสียหายหลักสามประเภท-ที่เหนี่ยวนำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์: เอฟเฟกต์ปริมาณไอออไนซ์ทั้งหมด (TID), เอฟเฟกต์-เหตุการณ์เดี่ยว (SEE) และความเสียหายจากการเคลื่อนที่ (DD)

1. อันตรายจากรังสีต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

(1) ผลกระทบของปริมาณไอออไนซ์รวม (TID)

หลักการ:การสัมผัสกับรังสีไอออไนซ์เป็นเวลานานจะสร้างและสะสมกับดักประจุในชั้นออกไซด์ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (เช่น ชั้นเกทออกไซด์ของ MOSFET) ประจุที่ติดอยู่เหล่านี้ทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง เช่น การเคลื่อนตัวของแรงดันไฟฟ้าที่เกณฑ์ กระแสไฟรั่วที่เพิ่มขึ้น และทรานส์คอนดักเตอร์ลดลง

ผลกระทบต่อแหล่งจ่ายไฟ:นำไปสู่ความต้านทานบน-ที่สูงขึ้นและความเร็วในการสลับที่ช้าลงของ MOSFET กำลัง ข้อผิดพลาดในแรงดันอ้างอิงและสถานะลอจิกของชิปควบคุม และท้ายที่สุดแล้ว ประสิทธิภาพของโมดูลกำลังลดลง หรือแม้แต่ความล้มเหลวโดยสิ้นเชิง

(2) เอฟเฟกต์เดี่ยว- (ดู)

หลักการ:อนุภาคพลังงานสูง- (เช่น โปรตอน ไอออนหนัก) ทะลุผ่านชิปและสร้างประจุหนาแน่นตามเส้นทางในเวลาอันสั้นมาก ทำให้เกิดการรบกวนอย่างรุนแรงต่อสถานะของวงจร

เหตุการณ์เดียว-ไม่พอใจ (SEU):ทำให้สถานะลอจิกพลิก (0 ถึง 1 หรือ 1 ถึง 0) ในหน่วยความจำหรือแลตช์ ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดของข้อมูล

เดี่ยว-เหตุการณ์ชั่วคราว (SET):สร้างพัลส์กระแสทันทีหรือความผิดพลาดของแรงดันไฟฟ้าในวงจรเชิงผสมหรือวงจรแอนะล็อก

เดี่ยว-Latchup เหตุการณ์ (SEL):กระตุ้นการนำไทริสเตอร์ปรสิตในโครงสร้าง CMOS ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูง-ที่อาจทำให้อุปกรณ์ไหม้ได้

เหตุการณ์เดียว-เหนื่อยหน่าย (SEB):ทำให้เกิดการพังทลายของจุดเชื่อมต่อ PN ของอุปกรณ์ไฟฟ้า (เช่น MOSFET) และความเสียหายจากความร้อนโดยตรง

ผลกระทบต่อแหล่งจ่ายไฟ:อาจนำไปสู่ตรรกะการควบคุมที่วุ่นวาย การเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาต์พุตชั่วคราวอย่างกะทันหัน ข้อผิดพลาดในสัญญาณ PWM และแม้แต่ความเสียหายของฮาร์ดแวร์ถาวร

(3) ความเสียหายจากการเคลื่อนที่ (DD)

หลักการ:อนุภาคพลังงานสูง-ชนกับอะตอมโครงตาข่ายของเซมิคอนดักเตอร์ แทนที่พวกมันจากตำแหน่งเดิม และทำให้เกิดข้อบกพร่องของโครงตาข่ายอย่างถาวร ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมตัวใหม่ ช่วยลดอายุการใช้งานของพาหะรายย่อย

ผลกระทบต่อแหล่งจ่ายไฟ:ผลกระทบดังกล่าวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ (เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ ออปโตคัปเปลอร์) และทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ ส่งผลให้อัตราขยายและประสิทธิภาพในปัจจุบันลดลง

2. การแผ่รังสี-เทคโนโลยีการออกแบบที่แข็งตัว

เพื่อจัดการกับความท้าทายข้างต้น โมดูลพลังงานที่เสริมความแข็งแกร่งด้วยรังสี-ได้นำชุดเทคโนโลยีพิเศษมาใช้:

(1) ชิป-การแข็งระดับ

เทคโนโลยีกระบวนการ:กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบบพิเศษ เช่น ซิลิคอน-บน-เทคโนโลยีฉนวน (SOI) ถูกนำมาใช้เพื่อแยกทรานซิสเตอร์ปรสิตอย่างมีประสิทธิภาพ และปราบปราม Single-Event Latchup (SEL) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การออกแบบวงจรการแผ่รังสี-ที่แข็งตัว:ที่ระดับการออกแบบวงจร ตรรกะซ้ำซ้อน (เช่น การซ้ำซ้อนโมดูลสามส่วน) วงจรการตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาด (EDAC) และระยะขอบการออกแบบแบบอนุรักษ์นิยมถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงความทนทานต่อ-เอฟเฟกต์เหตุการณ์เดี่ยว (SEE)

การแผ่รังสี-การใช้อุปกรณ์ที่มีความแข็งมากขึ้น:ส่วนประกอบหลัก (เช่น ตัวควบคุม, MOSFET, ไดโอด) ล้วนผ่านการคัดกรองอย่างเข้มงวดหรือเป็นอุปกรณ์ "ระดับพื้นที่-" ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานที่มีการแผ่รังสี-แข็งกระด้าง

(2) วงจรและระบบ-การชุบแข็งระดับ

การเลือกโทโพโลยี:มีการเลือกโครงสร้างทอพอโลยีที่แข็งแกร่งและเรียบง่ายยิ่งขึ้น โดยมีแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟเพียงพอในการออกแบบ

ข้อเสนอแนะและการควบคุมการแข็งตัวของลูป:วงจรแอนะล็อกที่สำคัญ เช่น การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าและตัวขยายข้อผิดพลาดได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อให้ไม่ไวต่อการเบี่ยงเบนของพารามิเตอร์ มีการเพิ่มวงจร Watchdog และฟังก์ชันการป้องกัน-แรงดันไฟฟ้า/กระแสเกิน-เพื่อให้สามารถกู้คืนอัตโนมัติหลังจากเกิดปรากฏการณ์-เหตุการณ์เดี่ยว (SEE)

การออกแบบซ้ำซ้อน:ในระบบที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง อาจใช้โมดูลพลังงานอิสระตั้งแต่สองโมดูลขึ้นไปเพื่อทำงานในโหมดหลัก/สแตนด์บายหรือโหมด-การแชร์ปัจจุบันโดยตรง เพื่อให้เกิด-ระดับความซ้ำซ้อนของระบบ

(3) การแข็งตัวของบรรจุภัณฑ์และการจัดเรียง

การป้องกัน:วัสดุที่มีความหนาแน่นสูง- (เช่น ทังสเตน โลหะผสมไทเทเนียม) ถูกใช้เป็นโครงเพื่อป้องกันรังสีในระดับหนึ่ง

วัสดุบรรจุภัณฑ์:บรรจุภัณฑ์เซรามิกต้านทานการแผ่รังสี-ถูกนำมาใช้เพื่อทดแทนบรรจุภัณฑ์พลาสติกทั่วไป เพื่อป้องกันประสิทธิภาพการเสื่อมถอยหรือการเกิดก๊าซของวัสดุบรรจุภัณฑ์ภายใต้รังสี ตัวอย่างเช่น พาวเวอร์ซัพพลายชุบแข็งแบบแผ่รังสีซีรีส์ JLH28- จาก ZITN Microelectronics นำ-เทคโนโลยีวงจรรวมแบบฟิล์มไฮบริดมาใช้เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การเพิ่มประสิทธิภาพเค้าโครง:ในโครงร่าง PCB จะพิจารณาผลกระทบของปรสิตที่อาจเกิดจากการแผ่รังสี และดำเนินมาตรการเพื่อลดการรบกวนไปยังโหนดที่มีความละเอียดอ่อน

การใช้งานรังสี-โมดูลพลังงานชุบแข็ง

การใช้งานโมดูลพลังงานแบบแผ่รังสี-ส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่ในทุกสาขาที่มีการแผ่รังสีไอออไนซ์ที่มีความเข้มสูง-

1. การบินและอวกาศและสนามดาวเทียม (การใช้งานหลัก)

นี่คือตลาดที่ใหญ่ที่สุดและพบเห็นได้บ่อยที่สุดสำหรับแหล่งจ่ายไฟที่มีความแข็งแบบรังสี-

ดาวเทียมประดิษฐ์:จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดบนดาวเทียม เช่น เพย์โหลดการสื่อสาร คอมพิวเตอร์ เครื่องติดตามดาว เครื่องขับดัน และเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ ดาวเทียมมีอายุขัยบนวงโคจร-นานหลายสิบปี ในระหว่างนั้นดาวเทียมจะถูกสัมผัสกับแถบรังสีแวนอัลเลน เปลวสุริยะ และรังสีคอสมิกอย่างต่อเนื่อง

ยานสำรวจอวกาศห้วงลึก:เช่นยานสำรวจดาวอังคารและยานสำรวจดาวพลูโต หลังจากที่บินออกจากแนวป้องกันของสนามแม่เหล็กโลก พวกมันจะเผชิญกับรังสีคอสมิกที่รุนแรงขึ้น ซึ่งกำหนดข้อกำหนดที่สูงมากเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟ

ยานอวกาศที่มีคนขับ:เช่นสถานีอวกาศและยานอวกาศที่มีคนขับ เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยในชีวิตของนักบินอวกาศและความสำเร็จของภารกิจ ระบบจ่ายไฟของพวกเขาจะต้องเชื่อถือได้อย่างแน่นอน

2. สาขาเทคโนโลยีนิวเคลียร์และอุตสาหกรรมนิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์:ใช้สำหรับตรวจสอบเครื่องมือ หุ่นยนต์ และระบบควบคุมภายในหรือรอบๆ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในการตอบสนองต่อเหตุฉุกเฉินต่ออุบัติเหตุทางนิวเคลียร์ อุปกรณ์-ที่ชุบแข็งด้วยรังสีเป็นกุญแจสำคัญในการทำงานในพื้นที่ที่มีรังสีสูง-

การบำบัดกากนิวเคลียร์:หุ่นยนต์หรืออุปกรณ์อัตโนมัติสำหรับการบำบัดกากนิวเคลียร์ต้องใช้แหล่งจ่ายพลังงานที่แข็งตัวด้วยการฉายรังสี-

เครื่องเร่งอนุภาค:อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในและรอบๆ อุโมงค์คันเร่งจำเป็นต้องต้านทานรังสีทุติยภูมิที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงาน

3. เขตข้อมูลระดับความสูง-สูง

บอลลูนระดับความสูง- / UAV ความทนทานสูง-ในระดับความสูง-สูง:ที่ระดับความสูงของสตราโตสเฟียร์ ความเข้มของรังสีคอสมิกจะสูงกว่าความเข้มบนพื้นมาก และอุปกรณ์ภารกิจหลักบางอย่างอาจต้องใช้แหล่งพลังงานรังสี-ที่แข็งตัว

บทสรุป

โดยสรุป โมดูลพลังงานกัมมันตภาพรังสี-ถือเป็น "หัวใจ" และ "แหล่งพลังงาน" ของสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงสมัยใหม่- โดยเฉพาะการสำรวจอวกาศและการใช้พลังงานนิวเคลียร์ ด้วยการออกแบบที่ซับซ้อนและซับซ้อนหลายชุด ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญยังคงสามารถรับแหล่งจ่ายไฟที่ต่อเนื่องและเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีรุนแรง และเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีพื้นฐานที่สนับสนุนการพัฒนาเทคโนโลยีล้ำสมัย-เหล่านี้

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมโปรดติดต่อเราได้ที่marketing@qdzitn.com!