Consideraciones de diseño para la electrónica en el espacio [cerrado]

¡Esto es lo que hago! Se han escrito muchos, muchos libros excelentes sobre el tema, pero como una breve lista de viñetas, se centró particularmente en los sistemas integrados para el uso del espacio:

• En general, utilizamos muchas de las prácticas de diseño de alta confiabilidad aprendidas durante muchas décadas de lecciones aprendidas con esfuerzo de la defensa, la aviación e incluso la automoción (controladores de freno, ABS). Esto incluye métodos de tolerancia a fallas (n-redundancia, a prueba de fallas, etc.), análisis riguroso y control de calidad de software y hardware, y cumplimiento de los muchos estándares escritos sobre el tema. (Especialmente crítico si trabaja para una empresa tradicional). entorno espacial).

• Específicamente para la electrónica, la radiación ionizante y la falta de magnetosfera terrestre es la principal. Como simplificación excesiva, podemos dividirnos en dos clases: dosis ionizante total (TID) y efectos de evento único . Ambos tienen mitigaciones que van desde gastar mucho dinero en hardware especializado y software inteligente/soluciones de diseño que pueden mitigar los efectos lo suficiente de una manera mucho más económica.

• TID es exactamente lo que parece: con el tiempo, acumula daños por la radiación ionizante y, finalmente, sus semiconductores dejan de convertirse en semiconductores. Los efectos varían enormemente según el tamaño del proceso, el maquillaje y muchos otros efectos a nivel de dispositivo, pero los efectos que puede ver incluyen un cambio de voltaje de umbral MOSFET: imagine un MOSFET de canal N cuyo Vt se desplaza lentamente hacia abajo hasta que siempre está encendido. Se han desarrollado algunos procesos increíblemente endurecidos para admitir cantidades de dosis muy altas: la misión Juno destinada a Júpiter tiene un hardware increíble dentro de una bóveda masiva y literal .

• Una nota al margen sobre TID, dado que, por supuesto, los efectos de la radiación también son de interés para aplicaciones terrestres como las armas nucleares, las pruebas a menudo se realizan a tasas de dosis altas y bajas. Algunos dispositivos semiconductores expresan resultados diferentes para ambos; por ejemplo, un artículo que leí sometió un LDO a tasas de dosis altas y bajas. Uno degradó el circuito de banda prohibida de Brokaw, reduciendo el voltaje de salida con el tiempo. El otro degradó la beta del transistor de salida, reduciendo la corriente de salida con el tiempo.

• Los efectos de un solo evento también se pueden observar en la Tierra: la mayoría de las personas están familiarizadas con las memorias ECC DDR para aplicaciones críticas, por ejemplo. Además, la mayoría de los aviones comerciales deben tener esto en cuenta debido a que su altitud operativa es lo suficientemente alta como para que los neutrones de alta energía puedan causar un mal funcionamiento del circuito electrónico. Esto se conoce popularmente como "bit-flips": una partícula energética viaja a través de un circuito, impartiendo una transferencia de energía lineal (LET) que puede ser suficiente para causar un bit-upset (SEU), una condición de bloqueo ( SEL) que conduce a un alto consumo de corriente debido al comportamiento parásito de BJT, ruptura de puerta MOSFET (SEGR) y agotamiento (SEB). En términos generales, podría clasificar cualquier evento que resulte en una falla del sistema como SEFI: interrupción funcional de un solo evento.

• Voy a llamar a latch-up específicamente. Existen especificaciones terrestres para el enganche que se incluyen en JESD78, pero no están diseñadas para condiciones de enganche inducidas por radiación. El mecanismo es similar entre los dos: se puede energizar una estructura NPN parásita en la construcción CMOS convencional, lo que crea una ruta de baja impedancia desde la alimentación hasta la tierra. Por supuesto, esto dará como resultado que fluyan grandes cantidades de corriente a través de una parte del chip que nunca fue diseñada para ello. Recordando las densidades de corriente para las que están diseñados los cables de enlace y varias partes de los troqueles, si esta situación no se soluciona, ese chip morirá de muerte. Una mitigación común es un sensor de corriente aguas arriba que reacciona para cortar la fuente de alimentación y quitar el pestillo.

• En términos de software y procesadores, lo desglosé en dos cuestiones principales. Una es la protección de la memoria volátil : archivos de registro, RAM (SRAM/DRAM), etc. Sería desafortunado que el registro de su PC tomara un SEU y de repente se saltara a otro lugar. En segundo lugar, está protegiendo a los no volátilesmemoria: su software es inútil si se corrompe y no puede ejecutarse. La protección volátil habitual es ECC (por lo general, SECDED) más la limpieza continua en busca de errores. Para los no volátiles, es mucho más difícil: comprar grandes cantidades de memoria reforzada es increíblemente costoso, en detrimento de las misiones científicas de la NASA/ESA. Algunas personas usan redundancia n, otras usan tecnologías reforzadas de forma nativa como MRAM o FRAM (hasta cierto punto, para el trabajo COTS) y otras pagan a los proveedores más de seis cifras por almacenamiento de misión crítica y alta confiabilidad.

• Mecánicamente, al menos en la órbita LEO, tienes ciclos térmicos entre el sol y la oscuridad cada 45 minutos. Esto se suma a la necesidad de sobrevivir a los rigores del lanzamiento: mis colegas mecánicos también tienen un conjunto de requisitos que diseñan (creo que parte de esto es GEVS ) para asegurarse de que sobrevivamos al lanzamiento de un cohete con alta G. Hacen una cantidad impresionante de análisis y pruebas previas al lanzamiento para asegurarse de que no nos convertimos en pedazos de naufragio en el camino hacia arriba. En el ensamblaje, evitamos el uso de soldaduras sin plomo y aplicamos una capa conformada a todos los ensamblajes eléctricos.

• Térmicamente, no hay convección en el espacio. Para los circuitos integrados de alta potencia, el único camino para la transferencia de calor es la radiación y la conducción. Se deben considerar diseños interesantes de disipadores de calor para eliminar de manera efectiva el calor de un dispositivo usando solo esos dos métodos. Además, las pruebas en el suelo se convierten en hardware porque no solo necesita una cámara térmica, sino también una cámara de vacío. Aquí hay algunas fotos de las cámaras TVAC de JPL.

• Trabajando en un "nuevo espacio", donde la gente no está construyendo pájaros GEO/MEO masivos que respalden la seguridad nacional crítica o las necesidades comerciales, a menudo las piezas COTS se vuelan después de someterse a pruebas/análisis en tierra para ver cómo les va. Si bien uno puede comprar una compuerta cuádruple NAND 74xx00 lista para volar, tolerante a varios cientos de krad por unos pocos cientos de dólares, algunas personas pueden probar muchas 74LVC00 o partes similares para ver cómo les va también. Todo depende de la cantidad de riesgo que esté dispuesto a tolerar.

Mi experiencia es en el diseño de electrónica automotriz, de consumo e industrial, antes de ingresar al trabajo espacial. Entonces, a menudo mi proceso de pensamiento es "hombre, ¡voy a usar esa increíble parte monolítica, de bajo consumo y de última generación! Oh, espera, espacio". Eso generalmente se reemplaza pensando en qué tan discretizado y qué tan minimizado puedo hacer esa solución para un establo de componentes tolerantes a la radiación o endurecidos por radiación basados ​​​​en el conocimiento (ya sea de pruebas o predicciones basadas en tecnología de proceso) de su radiación actuación.

Algunos buenos libros/recursos para leer:

• Análisis y diseño de misiones espaciales
• Interacciones nave espacial-medio ambiente
• IEEE Xplore (en general)
• Procedimientos NSREC (en general)
• Varias diapositivas/presentaciones de la NASA sobre el tema (GSFC y otros hacen mucho de este trabajo)

Si esta respuesta despierta más interés, probablemente volveré a completarla/editarla para que sea más limpia.

Consideraciones térmicas, consideraciones mecánicas y desgasificación si se opera en vacío, radiación y perturbaciones y daños relacionados, vibraciones y golpes durante el lanzamiento, controles de exportación de dispositivos y documentación. Capacidad limitada o inexistente para efectuar reparaciones o actualizaciones físicas.