從設計的角度來看，重要的是在高可靠性空間應用中權衡使用抗輻射Si MOSFET與基于替代材料（例如GaN HEMT功率器件）的COTS器件的獨特考慮因素。在本文中，我們將著眼于電路設計的不同方面，以更好地了解選擇其中一個的權衡。

 

隨著當今航天工業商業化程度的提高，設計人員在平衡性能、項目成本、任務概況和風險方面面臨更多挑戰。即使對于傳統的太空和公共部門參與者來說也是如此。數百家初創公司、大學研究人員，甚至普通群眾現在都在建造和發射廉價衛星，例如流行的 CubeSat 設計。通常以低地球軌道 (LEO) 為目標，任務長度為數月而不是數年，這些新的太空任務傾向于使用耐輻射或符合汽車標準的 COTS 電子設備來節省成本或研究新技術。

 

汽車級和COTS電子產品的成本要低得多，滿足工業應用的可靠性標準和性能基準，但在設計時并未考慮輻射穩健性。雖然一些COTS部件可能顯示出固有的輻射耐受性，但它們的設計可能會或可能不會達到與抗輻射組件相同程度的輻射。

 

使用COTS電子設備會引入許多未知因素，例如晶圓批次之間的部分同質性和一致性以及部分可追溯性。為了提高空間應用的置信度，此類設備可能會在使用前以額外費用接受進一步測試，稱為升級篩選。這也擴展到寬帶隙器件的使用，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 晶體管。但是，即使進行了篩選，也不能保證。即使來自同一制造商，測試結果也可能有所不同。或者 COTS 部件可能無法按需要運行并在輻射條件下存活。所有這些都給項目增加了更多風險。

 

抗輻射電子提供對單個晶圓批次的可追溯性，因此在進行破壞性物理分析或其他篩選時，空間設計人員可以對部件的均勻性和長期性能（包括空間輻射和可靠性）充滿信心。更短、高冗余、次年的任務和探索新技術的LEO衛星肯定會從COTS組件中受益。然而，對于“重大故障風險”是不可接受的長期任務，高可靠性電子設備的基準仍然是抗輻射硅。

 

 

太空輻射挑戰

 

輻射在太空中無處不在，會對沒有采取緩解措施的電子設備產生負面影響。空間輻射可以通過兩種主要方式影響功能。與管芯氧化層相互作用的輻射會導致長期累積損傷，指定為總電離劑量。第二個影響是單事件效應，可導致可恢復的單事件瞬態和災難性故障。當施加高電壓時，快速而重的粒子撞擊柵極區域會導致柵極氧化物上產生高瞬態電場，從而導致其破裂。這被稱為單事件門破裂。漂移區中的類似事件也可能導致源極和漏極之間的短路。最好的情況是它只是一個瞬間的非破壞性短路。在最壞的情況下，使用抗輻射電子設備可以防止此類故障機制。例如，抗輻射硅MOSFET最初是在1980年代推出的，使用設計和制造技術來降低對輻射暴露的敏感性。多年來，更穩健的設計、制造技術、篩選和認證已經發展到幾乎可以確保無故障的輻射性能。

 

最終，是使用抗輻射還是COTS電子設備取決于幾個因素——任務概況、性能參數、功能關鍵性、成本等等。在某些情況下，犧牲可靠性和抗輻射能力可能是可接受的風險，以幫助滿足預算限制或在冗余或不太關鍵的系統中測試新技術。但是當優先考慮可靠性時，例如對于高度關鍵的功能或長期、深空或行星際任務，抗輻射硅是明確的選擇。

 

簡化升級是關鍵

 

在這個充滿挑戰的環境中，重復使用經過驗證的技術是任務可靠性的關鍵。使用經過飛行驗證的設計可保持已證明的可靠性和對長期成功機會的期望。電路板布局和電路優化是一項主要的設計、測試和評估投資，尤其是對于高可靠性應用。例如，在花費大量精力優化降壓轉換器的跡線寄生效應后，升級到更先進的下一代Si MOSFET比使用GaN等不同技術開始全新設計要簡單得多。新的尺寸兼容、更高效的 Si MOSFET（如 IR HiRel 的 R9）可以直接用于性能提升，而設計論證和重新認證所需的工作要少得多。

 

耐輻射 Si MOSFET

 

IR HiRel 的抗輻射 R9 MOSFET 系列是最新一代 Si 器件，專為應對需要高可靠性、穩健性和可追溯性的航天級電子挑戰而設計。簡單的插入式更換可以重復使用已建立的、經過飛行驗證的設計，以最少的努力提高系統效率，并降低高吞吐量衛星的每比特成本。設計人員受益于R9與各種柵極驅動器的兼容性、對寄生參數的更低敏感性、更高的電流能力以及在線性模式操作中比替代技術更好的 SOA。與上一代抗輻射MOSFET相比，這些硅器件還為空間應用設計人員提供了直接的性能和封裝改進，同時保持了既定和預期的可追溯性和可靠性水平。

 

概括

 

選擇正確的組件對于所有太空任務的成功至關重要，但許多因素——如任務概況、預算限制、風險等。隨著行業和技術的發展，設計人員會發現COTS和抗輻射組件的用途。然而，目前，只有抗輻射硅器件展示了數十年使用中經過飛行驗證的傳統，加上完善的質量和可靠性標準以及豐富的技術理解。此外，借助抗輻射硅，系統設計人員可以確保此類設備符合JANS和QPL標準，并且能夠滿足需要這些級別可靠性的任務的TOR要求。為了在空間應用中獲得最高水平的信心和可靠性。

 

 

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