为什么辐射硬度对负载点转换器很重要，第一部分

为卫星有效载荷设计电源管理系统变得越来越具有挑战性，因为空间合格的现场可编程门阵列 (FPGA) 的可用性越来越高，并且它们的处理能力相应提高。这些处理能力是以牺牲 FPGA 所需的多个电源轨和具有非常严格的电压调节要求的大电流、低电压内核轨为代价的。这些要求使得以前的电源管理设计不太实用，因为它们不能满足卫星对尺寸、重量和辐射性能的所有要求。

我们提出了一种负载点电源系统架构，该架构强调了辐射硬度性能的相关性，尤其是单粒子效应在满足当前 FPGA 电压调节要求方面的重要性。

航天器 EPS 概述

航天器电力系统 (EPS) 涵盖发电、储能、配电和调节以及控制的所有方面。EPS分为初级和次级两个子系统;两者的最佳组合有助于有效操作。

二次电源子系统设计过程的一部分是选择合适的负载点 (POL) 转换器，其中可以包括开关 DC/DC 稳压器和低压差稳压器。开关稳压器是本文的重点，因为其更高的效率使其成为低压、大电流 FPGA 电源内核轨的热门选择。

旧的太空级 FPGA 的制造过程使用更大的结构几何形状，专注于单事件翻转 (SEU) 缓解，并采用寄存器三重复制和双互锁存储存储器单元等强化方法。此过程的一个优点是较大的寄生布线电容本质上过滤了辐射环境中固有的单事件瞬变 (SET)。最新一代的 FPGA 具有更高的逻辑密度和更小的互连。因此，由于空间中离子的电荷量影响敏感节点的可能性增加，SET 可能成为主要的单事件效应 (SEE)。

在现代卫星中，二次配电单元必须准确无波动地提供各种低电压，即使在剧烈负载变化的情况下也是如此。

这些模块使用 3.3V 或 5V 配电电源轨来生成本地所需的电源电压。这些本地电压由模块内的紧凑且高效的 DC/DC 转换器产生。电源电压和电流负载的多样性，以及更高的功率效率要求，产生了一个新的设计问题，使得旧的、成熟的设计方法变得不那么实用，设计目标更难以实现。

此外，如图 2 所示，缩小工艺节点导致内核电压降至 1.0 V 以下，需要 DC/DC 转换器优化低压调节性能。这种优化性能的示例包括响应工艺节点进步的低电压和高精度内部基准、可调节斜率补偿以更好地为高性能应用定制 DC/DC 转换器以及并联转换器以提供更大量的电流以获得更大的系统灵活性和重用性。

同时，随着卫星系统的日益复杂，例如使用多个 FPGA 的相控阵系统的地球观测计划，选择具有现代金属氧化物半导体场效应晶体管技术的 DC/DC 转换器可提供更高的系统效率。更高的系统效率使设计人员能够缩小太阳能电池阵列和电池的重量，并实现最重要的卫星设计目标之一。

FPGA 技术中工艺节点的进步，以及处理能力的提高，转化为更严格的电压调节要求。

随着工艺节点的发展，不同 FPGA 的调节容差也发生了变化。这种演变极大地降低了裕度并增加了 SET 对 POL 开关稳压器的影响。严格调节内核电压将确保功能正常，并且将电源放置在靠近新 FPGA 的位置现在更加重要，以确保由寄生阻抗引起的足够的电压偏移。

现在可以将 POL 转换器设计为精确地满足重新用作不同有效载荷模块的标准电源接口的要求。尽管这种标准电源接口可以显着降低成本和设计时间，但它更具挑战性，因为设计人员在设计过程中必须考虑 POL 转换器的不同配置(不同的输入和输出电压，不同的输出电流)。该过程包括更改功率级组件和补偿网络。

因此，选择涵盖所需输入和输出电压范围的 POL 转换器非常重要，该转换器还可以为负载提供足够的输出电流。