陳朝基，南洪濤，于世強(qiáng)，張 政

（1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 上海航天電子有限公司，上海 201800）

一種基于快速可恢復(fù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的單粒子鎖定防護(hù)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用驗(yàn)證

陳朝基1，南洪濤1，于世強(qiáng)1，張 政2

（1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 上海航天電子有限公司，上海 201800）

隨著航天器負(fù)載對(duì)功率需求的不斷增大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的可靠性提出了更高的要求，而選用一體化集成電路是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的一種成熟方案。文章針對(duì)商用現(xiàn)貨器件MSK4351的空間應(yīng)用需求，提出了一種應(yīng)用快速、可恢復(fù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的單粒子鎖定防護(hù)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了該防護(hù)電路能夠自動(dòng)探測(cè)和迅速解除單粒子鎖定現(xiàn)象；并結(jié)合設(shè)備的在軌工況開(kāi)展了器件空間應(yīng)用的單粒子風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果表明器件的使用風(fēng)險(xiǎn)可接受。目前已應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在軌工作穩(wěn)定，表明該防護(hù)設(shè)計(jì)方法具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；單粒子鎖定；防護(hù)設(shè)計(jì)；商用現(xiàn)貨器件；MSK4351

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器任務(wù)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，用電設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)系統(tǒng)功率需求越來(lái)越大，需要配置相應(yīng)的大功率電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？紤]重量等限制因素，通常情況下這些大功率電機(jī)為非冗余設(shè)計(jì)，因此對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的可靠性提出了更高的要求，即需要具備更高效率、更小體積、更高的功率密度和集成度[1]。針對(duì)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，若選用傳統(tǒng)的分立功率器件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，存在技術(shù)難度大、可靠性較低的缺點(diǎn)，而選用一體化的高壓集成電路是一種可靠、成熟的方案。

空間輻射環(huán)境使得航天電子器件面臨單粒子事件影響的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是隨著半導(dǎo)體器件集成度的不斷提高，單粒子效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重，已經(jīng)成為影響航天器可靠性和運(yùn)行壽命的重要因素之一[2]。其中單粒子鎖定（single event latch-up, SEL）能在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)硬件造成永久性的破壞，危害性極大。

航天電子器件的設(shè)計(jì)對(duì)減小質(zhì)量、縮小尺寸、降低功耗、模塊化和提高性能的要求越來(lái)越迫切，使得商用現(xiàn)貨（commercial off-the-shelf, COTS）器件逐漸成為設(shè)計(jì)中的首選對(duì)象[3]。但 COTS器件普遍存在抗輻射能力低的問(wèn)題，使用不當(dāng)會(huì)影響正常的飛行任務(wù)，因此如何提高COTS器件的可靠性和使用壽命成為其在航天器應(yīng)用中必須解決的問(wèn)題。

MSK4351器件是一款新型混合集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，額定電壓500 V、電流50 A，器件由控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路2部分構(gòu)成，其控制電路供電電源為+15 V，額定電流 0.2 A[4-5]。該器件的最大特點(diǎn)為內(nèi)部功率管及其后級(jí)輸出部分與前端功率管控制電路完全電氣隔離，模塊內(nèi)部自帶DC/DC變換器和保護(hù)電路，避免了功率部分對(duì)前級(jí)電路的損害，保證了系統(tǒng)可靠性，且外圍電路簡(jiǎn)單，因此成為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的良好選擇。

出于技術(shù)性能和指標(biāo)需求，某型號(hào)航天器選用了COTS器件MSK4351作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率器件。該器件沒(méi)有抗單粒子效應(yīng)能力指標(biāo)，需要考慮其空間單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)。為此，本文通過(guò)分析COTS器件的SEL防護(hù)方法，基于MSK4351的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，提出一種快速、可恢復(fù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的 SEL防護(hù)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行地面模擬測(cè)試以驗(yàn)證該防護(hù)電路的有效性。

1 SEL防護(hù)原理

COTS器件在空間應(yīng)用前，需要采取必要措施提高其可靠性，常用方法有應(yīng)用前篩選、抗輻射加固設(shè)計(jì)、限額使用和冗余設(shè)計(jì)等[3]。當(dāng)COTS器件發(fā)生SEL時(shí)，其SEL敏感區(qū)的電流將大幅增加，因此電源輸入端電流是器件發(fā)生 SEL的標(biāo)志性指標(biāo)；而保持電流和保持電壓是 SEL現(xiàn)象的關(guān)鍵參數(shù)：當(dāng) SEL發(fā)生時(shí)，若電源輸入滿足保持電壓和保持電流條件，電路將形成鎖定電流。理論上采用適當(dāng)?shù)碾娮枘軌蚍乐?SEL的發(fā)生，但實(shí)際應(yīng)用中借助在電源輸入端外加電阻來(lái)限制電流進(jìn)而防止SEL的發(fā)生并不可行，因?yàn)殡娮柚敌枰c每一個(gè)可能發(fā)生SEL的電流脈沖相匹配[6]。因此，在檢測(cè)到SEL之后最好的辦法是將電源輸入端電壓迅速降低到保持電壓以下[7-8]，并快速關(guān)閉供電輸入端電源，以保護(hù)電路不被燒毀。

基于對(duì)SEL機(jī)理的分析以及COTS器件本身的特點(diǎn)，加固防護(hù)需要在盡可能快地監(jiān)測(cè)出大電流（發(fā)生SEL）后重啟電源，因此需要設(shè)計(jì)過(guò)流監(jiān)視電路以及具備對(duì)電源重啟、恢復(fù)功能的開(kāi)關(guān)電路。

2 MSK4351器件的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

航天器電子元器件的單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)使用等效能譜法，利用重離子、質(zhì)子、脈沖激光等作為模擬源，采用敏感度-LET值響應(yīng)曲線開(kāi)展模擬[9]。為了獲取MSK4351器件的輻射敏感參數(shù)，利用重離子加速器模擬輻射源分別針對(duì)器件內(nèi)部的功率驅(qū)動(dòng)和控制電路部分開(kāi)展單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果如下：

1）針對(duì)功率驅(qū)動(dòng)部分。對(duì)器件施加100 V負(fù)載供電，輸出阻性負(fù)載為12.5 ?、PWM的占空比為20%的條件下，輻照器件內(nèi)部的4片IGBT芯片，在輻照至注量1×107ion/cm2的過(guò)程中，未檢測(cè)到單粒子燒毀效應(yīng)發(fā)生。

2）針對(duì)控制電路部分。對(duì)器件內(nèi)部控制電路施加15 V電壓，輸出阻性負(fù)載為12.5 ?、PWM的占空比為20%的條件下，輻照過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出的10 V三相交流電壓信號(hào)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 MSK4351控制電路單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of single event effect experiment for MSK4351’s logical circuit

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：利用LET值為13.9 MeV·cm2/mg的重離子輻照器件內(nèi)部控制電路，在輻照至注量1×107ion/cm2的過(guò)程中，未監(jiān)測(cè)到SEL效應(yīng)發(fā)生；但輻照至2.40×106ion/cm2時(shí)，共監(jiān)測(cè)到5次單粒子功能中斷現(xiàn)象。表現(xiàn)為：器件控制電路的+15 V供電電流由230 mA下降至203 mA，器件輸出保持常通狀態(tài)，但不受PWM控制信號(hào)控制，即器件功能“死機(jī)”；斷電后再上電即可解除異常狀態(tài)，器件功能恢復(fù)正常。

試驗(yàn)表明，該器件內(nèi)部控制電路的抗 SEL的LET閾值高于37.4 MeV·cm2/mg，抗單粒子功能中斷的 LET閾值范圍為 9.3～13.9 MeV·cm2/mg。由于該器件為 CMOS工藝器件，其控制電路可能在更高LET閾值下發(fā)生SEL現(xiàn)象，表現(xiàn)為因邏輯電路失控導(dǎo)致功率驅(qū)動(dòng)電路輸出常通或常斷。

3 SEL防護(hù)設(shè)計(jì)方法

針對(duì)MSK4351存在的SEL風(fēng)險(xiǎn)，需從器件的控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路2個(gè)方面加強(qiáng)SEL防護(hù)。MSK4351器件的組成框圖如圖1所示。

圖1 MSK4351器件組成框圖Fig. 1 Block diagram of MSK4351

3.1 控制電路防護(hù)

MSK4351發(fā)生SEL后會(huì)導(dǎo)致器件供電功耗增大，器件內(nèi)部的隔離型DC/DC具有一定的限流能力，控制電路的+15 V輸出端額定功率為5 W，上限為6.5 W，可以防止危害進(jìn)一步擴(kuò)大；但無(wú)法在器件供電前端增加限流電阻。防護(hù)設(shè)計(jì)中令MSK4351供電的輸入端DC/DC具備輸出功率限制能力，以保證在控制電路的DC/DC處于最大功率輸出狀態(tài)時(shí)，不會(huì)影響輸入端電源和熔斷器，避免危害進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.2 功率驅(qū)動(dòng)電路防護(hù)

3.2.1 SEL防護(hù)電路設(shè)計(jì)

MSK4351發(fā)生 SEL后可能導(dǎo)致功率輸出常斷（無(wú)功率輸出）或常通。無(wú)功率輸出時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，單機(jī)通過(guò)堵轉(zhuǎn)保護(hù)機(jī)制可識(shí)別并處理，不會(huì)產(chǎn)生更大的危害；而功率輸出常通時(shí)，可能導(dǎo)致輸入端供電電流增大、燒毀輸入端熔斷器。針對(duì)這一故障模式，設(shè)計(jì)了在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電源回線處增加供電過(guò)流保護(hù)電路的防護(hù)措施，原理如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電輸入端過(guò)流保護(hù)原理Fig. 2 The principle of the overcurrent protection for the power input of motor driver circuit

過(guò)流保護(hù)電路由電流采樣電路、控制電路和功率開(kāi)關(guān)構(gòu)成：電流采樣電路由霍爾電流傳感器、高速運(yùn)算放大器和比較器構(gòu)成，控制電路由單片機(jī)和 FPGA電路組成，功率開(kāi)關(guān)采用 N溝道功率MOSFET器件，電流傳感器位于驅(qū)動(dòng)器一次電源供電入口處。

根據(jù)負(fù)載功率大小，為比較器設(shè)置一個(gè)初始數(shù)值。當(dāng)FPGA檢測(cè)到電流采樣電路中比較器輸出的過(guò)流信號(hào)后，立即輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，關(guān)斷供電回線上的功率開(kāi)關(guān)，同時(shí)通過(guò)中斷方式通知單片機(jī)；單片機(jī)響應(yīng)中斷后通過(guò)復(fù)位信號(hào)關(guān)斷MSK4351內(nèi)的所有功率管，并遙測(cè)輸出過(guò)流故障信息。

該保護(hù)電路具備以下特點(diǎn)：

1）響應(yīng)速度快：采用高速運(yùn)算放大器和FPGA控制電路，可在幾十μs內(nèi)響應(yīng)供電電流的變化。

2）大功率控制：電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)100 V供電電源、至少30 A電流的負(fù)載通斷自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。

3）系統(tǒng)可恢復(fù)：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用熔斷器實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路的過(guò)流保護(hù)，熔斷器熔斷后電路不可恢復(fù)；本防護(hù)設(shè)計(jì)中可保證一旦發(fā)生SEL，系統(tǒng)斷電再重新加電后，功能可恢復(fù)正常。

4）供電回線端配置功率開(kāi)關(guān)：降低了功率開(kāi)關(guān)的選型難度，相較在供電正線端進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制更易實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 防護(hù)電路驗(yàn)證

將MSK4351的輸出端A相與B相用粗導(dǎo)體短接，控制輸入PWM信號(hào)使橋臂AH、BL導(dǎo)通，即將MSK4351的100 V供電通過(guò)2個(gè)IGBT單元對(duì)地短路，模擬器件鎖定造成負(fù)載供電輸入端短路的情況。

地面模擬測(cè)試表明，MSK4351功率端在承受高達(dá)440 A短路電流沖擊時(shí)，單片機(jī)可控制功率開(kāi)關(guān)在25 μs內(nèi)切斷供電回路而不失效，器件內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)功能正常，性能參數(shù)無(wú)明顯變化，說(shuō)明器件功率端具有承受瞬間過(guò)流的能力，可以避免危害的進(jìn)一步擴(kuò)大，保證其他單機(jī)或分系統(tǒng)正常工作。

該過(guò)流保護(hù)電路可保證在負(fù)載大電流燒毀供電輸入端熔斷器前及時(shí)切斷供電回路，用于MSK4351發(fā)生SEL情況下的供電端保護(hù)及鎖定恢復(fù)，避免造成不可修復(fù)的故障。

4 防護(hù)電路的空間應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析

由于MSK4351器件沒(méi)有空間飛行經(jīng)歷，所以除進(jìn)行地面模擬驗(yàn)證外，還需要對(duì)該器件的空間應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析，具體分析結(jié)果如下：

1）發(fā)生SEL會(huì)引起單機(jī)功耗增加。器件內(nèi)部DC/DC和為器件供電的DC/DC均具有輸出功率限制能力，若發(fā)生 SEL導(dǎo)致器件電流增大，其供電端的DC/DC將首先啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)措施，對(duì)系統(tǒng)供電輸入端沒(méi)有影響。

2）當(dāng)發(fā)生由單粒子效應(yīng)引起器件鎖定或功能中斷時(shí)，設(shè)備將會(huì)暫停工作；而該設(shè)備在軌工作過(guò)程允許暫?；蛑袛啵l(fā)生SEL或功能中斷后可通過(guò)斷電再加電的方法恢復(fù)正常，不會(huì)造成永久性失效。

3）當(dāng)器件功率電路發(fā)生單粒子燒毀或單粒子?xùn)艙舸r(shí)，單機(jī)功能將喪失；但限流保護(hù)措施可將風(fēng)險(xiǎn)限制在單機(jī)內(nèi)，不會(huì)危害器件供電輸入端電源的安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析COTS器件的SEL防護(hù)原理，基于混合集成電路MSK4351提出了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的 SEL防護(hù)設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)大功率負(fù)載供電的快速通斷控制且系統(tǒng)可恢復(fù)。即使器件燒毀，其危害也不會(huì)擴(kuò)大至其他單機(jī)或分系統(tǒng)。通過(guò)地面模擬測(cè)試驗(yàn)證了單機(jī)功率電路電流監(jiān)測(cè)和防護(hù)措施的有效性。

目前，采用了上述 SEL防護(hù)設(shè)計(jì)的、基于MSK4351器件構(gòu)成的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在軌工作穩(wěn)定，進(jìn)一步說(shuō)明本方法具有工程應(yīng)用價(jià)值。

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A design method for single event latch-up protection based on rapid and reparable motor driver circuit with application validation

CHEN Chaoji1, NAN Hongtao1, YU Shiqiang1, ZHANG Zheng2
(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China;2. Shanghai Space Electronics Corporation, Shanghai 201800, China)

With the increasing demand for the power of the spacecraft load, the reliability of the motor driver circuit becomes a more and more important issue in the product design. Using the integrated component in the motor driver circuit is considered as a mature method. In this paper, a method for the single event latch-up protection by using high speed and reparable motor driver circuit based on the MSK4351 is proposed, and the simulation test verifies that the protection circuit can make automatic detection of the latch-up and rapid release from the state of latch-up. The product’s risk of single event effect is analyzed based on its working state in the outer space, and the result indicates that the risk is acceptable and this motor driver circuit works well until now,which further proves that the method proposed in this paper has a value for the future engineering application.

motor driver circuit; single event latch-up (SEL); protection design; commercial-off-the-shelf(COTS) device; MSK4351

V417.6

B

1673-1379(2017)05-0528-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.013

2017-06-16；

2017-08-23

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

陳朝基, 南洪濤, 于世強(qiáng), 等. 一種基于快速可恢復(fù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的單粒子鎖定防護(hù)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用驗(yàn)證[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5): 528-532

CHEN C J, NAN H T, YU S Q, et al. A design method for single event latch-upprotection based on rapid and reparable motor driver circuit with application validation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 528-532

（編輯：張艷艷）

陳朝基（1982—），男，碩士學(xué)位，主要從事航天器信息總體設(shè)計(jì)和元器件產(chǎn)品保證工作。E-mail: shelfer@163.com。