未來在外太空探測中所使用的科學工具將產生大量數據。為了處理這些數據，星載計算機需要具備更高的運算能力。然而，極端的工作環境成為了改善這些設備性能的最大挑戰。

太空環境存在一些特殊情況，可能影響甚至降低太空材料的機械特性，而對整個設備的結構運作產生負面影響。

太空輻射流主要由85%的質子和15%的重核組成。輻射效應可能使設備性能產生退化，受到干擾，甚至運行中斷。合格的太空元器件最重要的就是能確保長期可靠的運行。

太空輻射

太空——包括地球大氣層以上的區域——充斥著許多可能損壞半導體器件的高能粒子，例如，范艾倫輻射帶（Van Allen belt）中的電子和質子、銀河宇宙射線、X射線和紫外線等。一般來說，有兩大類效應——累積效應和單粒子事件效應——會導致微電子電路工作參數發生變化（圖1）。

圖1：大量離子攻擊CMOS存儲單元的剖面圖。

帶電粒子和γ射線會產生電離，進而導致器件的參數發生改變，這種改變可以根據電離輻射總劑量（TID）參數來估算。所吸收的電離輻射劑量通常以rad（即1g材料吸收100erg能量）為單位進行計量（近年來rad逐漸被gray取代：1rad=0.01Gy）。由于每單位質量的能耗因材料而異，因此沉積劑量的材料總是以計量單位來指定，例如rad（Si）或rad（GaAs）。

TID是由于太陽活動而長期暴露在電子和質子下的累積效應。供電電流、擴散電流、閾值電壓和傳播時間等元件參數的逐漸退化，都是TID故障的特征。航天器和衛星要運行多長時間，以及軌道高度是多少，決定了元器件必須滿足的電離輻射劑量水平。典型的輻射量在10到100krad（Si）之間。

累積效應是指經年累月的損害累積到某一天，而使太空設備內的電子元件終于無法使用。這些損害在實驗室中是可以預測的，我們可以通過這一信息，為每架太空飛行器設定一個可行的平均壽命。

另一方面，單粒子效應（SEE）卻是不可預測的，它隨時可能出現，具體取決于電子設備存放的位置。SEE分為兩類：瞬態效應（或軟錯誤），如單粒子瞬態（SET）和單粒子翻轉（SEU）；災難性效應，如單粒子燒毀（SEB）、單粒子柵穿（SEGR）和單粒子鎖定（SEL）。

每個單粒子效應的產生，都是因為粒子通過器件之后，在敏感區域積累了電荷。根據庫侖定律，半導體器件中若有粒子通過，則將產生一個直徑從幾百納米到幾微米的電子空穴對。

根據不同的因素，粒子可能導致無法觀察到的效應（SET）、微處理器電路工作受到瞬態擾動、邏輯狀態發生變化（SEU、SEL），或者對器件或集成電路造成永久性損壞（SEGR、SEB）。

目前采用的預防措施是避免將衛星置于范艾倫輻射帶區域，也可在太陽風流量增加期間關閉它們。業界也制造和使用了防護罩來抗輻射（但它們有時可能很重）。但最重要的是在設計中采用抗輻射元器件，并在實驗室對其進行測試（圖2）。

圖2：抗輻射器件示例。（圖片來源：Aeroflex）

衛星架構

現代通信衛星的結構設計有利于將其置于合適的軌道，同時有助于實現其功能。衛星的中心部分包括了大部分電子設備、推進系統及相應的燃料儲罐（圖3）。

衛星中使用太陽能傳感器來識別太陽的位置，以此作為衛星定位的主要參考點。推進系統用于將衛星保持在適當的位置。其服務平臺或模塊則提供控制衛星方向、推進、熱調節和功率的功能。控制系統的典型元器件包括慣性測量單元（IMU），以及用于處理信號和監測衛星位置的電子元器件。陀螺儀用于確保衛星指向的穩定性。對于通信系統，有效載荷包括天線、低噪聲放大器（LNA）和本地振蕩器。如果是GPS導航衛星，還包括原子鐘、信號發生器和放大器。

圖3：衛星結構示意圖。（圖片來源：NASA）

控制系統

在航空航天和國防市場用電子系統方面，電源控制和散熱管理可能是最關鍵的問題。電力電子領域的開發趨勢是在縮小設備尺寸的同時提高其效率，以便使以熱耗散損耗掉的功率隨著“處理”熱量的區域縮小而減少。

衛星的散熱控制系統需要精心設計，才能讓衛星的所有部分在任務的所有階段均保持在可接受的溫度范圍。散熱控制對于確保最佳性能和任務成功至關重要，其涉及的幾個元件通過比例積分微分（PID）算法來管理。

盡管必須滿足熱約束條件，但不能以降低性能為代價，因此，散熱管理系統的精密設計和操作十分必要。

PID控制是各行各業普遍接受的控制算法，由以積分方程表示的三個參數（P、I和D）所組成。

PID控制器的目的在于保持輸出穩定，以使過程變量或反饋值與設定點或期望輸出之間的誤差為零。其控制行為基于三種配置：比例、積分和微分。比例控制器（或稱P控制器）提供與誤差e（t）成比例的輸出。

由于P控制器存在局限——過程變量和設定點之間總是存在偏差——因此需要采用積分控制器（或稱I控制器）來消除這一穩態誤差。當出現負誤差時，積分控制會降低其輸出。它會限制響應速度并影響系統的穩定性。

I控制器無法預測未來的誤差行為，它通常在設定點發生變化后立馬作出反應。微分控制器（或稱D控制器）則通過預測未來的誤差行為解決這一問題，其輸出為誤差隨時間的變化率乘以導數常數。微分控制可預測系統行為，從而可改善穩定時間和系統的穩定性（圖4）。

圖4：PID控制系統方框圖。（圖片來源：ADI）

更多數據

人造衛星運營商對數據的渴望永無止境，因此明確要求衛星設計應具有更高的傳感器能力。這導致過多的信息產生，使得對衛星本身完成信號處理的能力提出了更高的要求，從而使下行鏈路帶寬得到有效利用。Interstellar項目旨在改善航空航天與國防應用的ADC/DAC性能。這些器件將促進衛星通信、導航和科學任務的各種數據采集鏈解決方案。作為Interstellar項目的一部分，Teledyne e2v的EV12AQ600是首款帶有交叉點開關（CPS）的12位ADC。因此，該ADC可同時運行其四個內核，采樣率超過6GSps。

執行遙感任務的衛星在信號處理上面臨重大瓶頸。針對太空應用進行封裝和測試的最大FPGA，歷來是采用靜態隨機存取存儲器（SRAM）設計。但SRAM單元中的任何輻射都可能導致FPGA設計配置發生變化，從而導致系統故障。設計人員不得不采取更多緩解措施，包括讀取和校正FPGA配置存儲器。基于閃存的FPGA提供了解決此問題的新方法——它同時使用了針對信號處理應用優化的架構和65nm Flash工藝，可有效防御因太空輻射而引起的配置損耗。例如Microsemi基于耐輻射閃存的FPGA系列產品（RTG4系列），配備了針對信號處理應用優化的高性能架構。Xilinx抗輻射和耐輻射FPGA（如Virtex-5QV）則滿足極端環境下的性能、可靠性和生命周期要求，與傳統的ASIC相比 ，可實現更短的設計時間、更低的成本，降低項目風險，并提供更大的靈活性。

航空航天一直是最先進的技術領域。即便是在一系列用于執行關鍵任務的衛星上所使用的簡單連接器，也完全無法承受可靠性出現任何問題。隨著太空中需要管理的數據量日益增加，FPGA在太空中的應用也越來越多。現代抗輻射FPGA可確保可靠工作以及任務成功。