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年第期控制工程
星载设备抗单粒子效应的设计技术初探

摘要本文探讨现代星载设备研制过程中遇到的抗辐射设计问题之
一
, 即抗单粒子效应韵设计问题首先简单介绍高能粒于引起的单粒于效应~
单粒子翻转和单粒子锁定,
和抗的设计方法
‘
主题词劂单粒子现象单粒于单粒子兰童也
一
、前言
现代对应用卫星的要求越来越高,要求它寿命长长达年,可靠性高,而且能为更重
的有效载荷提供大功率综合这些要求,:
环境造成的问题,而且要以尽可能小的重量代价来解决设备的抗辐射问题。这给设计人员搀
出了一系列新的课题。本文想初步探讨这些课题之一星载设备抗单粒子效应的设计问
题。
众所周知,空间高能粒子重离子和高能质子引起的单粒子效应有:单粒子锁定
、和单粒子翻转。。若不采取适当措施,
可能造成器件烧毁,甚至整个卫星任务的失败,国内外都有过这方面的教训本文将分别讨
论单粒子效应、抗单粒子锁定的设计问题及如何抗单粒子翻转的阿题。
二、单粒子效应
单粒子锁定
高能粒子可能触发体硅电路的寄生可控硅结构而使其导通,造成锁定,要产生这
种寄生可控硅并维持其导通状态,必须满足下面三个条件:
寄生的纵向和横向及——晶体管的增益乘积必须大于,才可能产生可控硅
效应可控硅条件;
这两个晶体管的基极一发射极必须正向偏置,即有足够的触发电流注入触发条件;
电源必须能提供足够大的电流以维持可控硅导通状态,即触发状态维持条件
若满足上述条件,寄生可控硅一旦被触发,就会从电源到地形成一个低阻通路,使器件
功耗增大,时间一长,造成器件烧毁;或者这短路状态使供电电源保护。
近来发现在一些复杂器件中,高能粒子还会引起一种“软镄定”。器件进入锁定状态
后,不能再响应外部控制信号,必须把供电电源切断,重新加电,才能恢复正常工作。但这种
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软锁定”和前面谈到的不同:进入软锁定”“软锁定”现
象的确切原因目前还不清楚,可能是内部某结点上发生的单粒子翻转使内部逻辑进入某种
非法“阻塞状态而造成的。解除这种“阻塞”状态,必须切断电源才行。
单粒子翻转
单粒子翻转是由高能粒子轰击双稳态单元,使原来记忆的⋯、⋯状态翻转。这
种效应不是永久破坏性的,可通过重写来恢复原来的状态,因而称为“软错误”。从原理上讲,
所有具有记忆功能的双稳态器件,无论是大规模的还是中小规模的都有问题,只是中
小规模的触发器面积较大,要使其翻转需要的临界电荷大,因而翻转阈值高,在空间发生
翻转的概率小。随着半导体集成电路工艺的发展,集成度越来越高,每个记忆单元的尺寸越
来越小,引起翻转所需要的临界电荷也越来越小,因而问题在在轨卫星上频繁出现,甚
至导致整个卫星任务失败,从而引起人们的关注。’. ’
单粒子翻转一次一般只翻转一个数据的一位,偶而也能观察到一次翻转相邻两个数据
的相同位,或同一数据的相邻两位。
单粒子翻转在中小规模触发器、寄存器、计数器等有记忆功能的器件中发生