如何克服在芯片上設(shè)計耐輻射運動控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

在設(shè)計耐輻射運動控制系統(tǒng)片上（SoC）時，需要考慮許多挑戰(zhàn)。第一個設(shè)計挑戰(zhàn)是運動控制系統(tǒng)本身。此類空間應(yīng)用通常涉及概念化可支持各種運動控制應(yīng)用的多功能部件。這涉及將電路劃分為可實現(xiàn)的功能，這些功能可以在用于特定模塊的IC工藝的預(yù)期功率和額定電壓限制內(nèi)實現(xiàn)。

下一個挑戰(zhàn)是工藝工程師必須找到或開發(fā)一種能夠有效實施模塊的耐輻射工藝技術(shù)。由于實現(xiàn)某些模擬功能時所需的接地差和電平轉(zhuǎn)換，運動控制電路模塊的電路設(shè)計很困難。由于某些普遍可用的設(shè)備不可用，電路設(shè)計任務(wù)更加復雜，這些設(shè)備由于其輻射不耐受而無法使用。

因此，電路設(shè)計人員必須找到創(chuàng)新技術(shù)來解決這些限制。必須為控制器編寫數(shù)字代碼，以實現(xiàn)必要的算法并在測試臺上進行驗證，并且測試工程師必須證明該部件在極端環(huán)境和輻射暴露下的功能。

在本博客中，我們將探討在空間應(yīng)用中實現(xiàn)運動控制時的七個主要挑戰(zhàn)。

? 系統(tǒng)定義和規(guī)范

? 設(shè)計分區(qū)

? 電路設(shè)計

? 工藝開發(fā)和表征

? 功能分區(qū)和封裝設(shè)計

? 數(shù)字IP模塊開發(fā)

? 輻射測試

以Microchip的LX7720輻射抗輻射電機控制器和位置傳感IC為例，我們將揭示克服這些挑戰(zhàn)的方法。

系統(tǒng)定義和規(guī)范

系統(tǒng)定義從分析應(yīng)用程序及其需求開始。在運動控制系統(tǒng)中，通常有一個電動機提供機電能量轉(zhuǎn)換和位置反饋，以監(jiān)控運動的進度。電機通常是三相無刷直流 （BLDC） 電機或步進電機，通常由衛(wèi)星總線電源軌供電，范圍為 22V 至 150V。可以使用編碼器、霍爾效應(yīng)傳感器或旋轉(zhuǎn)變壓器監(jiān)控電機軸的運動。旋轉(zhuǎn)變壓器還用于監(jiān)控天線等結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。如果執(zhí)行器的結(jié)果是線性運動，則可以使用線性可變差動變壓器（LVDT）。由于位置信息通常用于運動控制系統(tǒng)，因此需要具有大功率開關(guān)驅(qū)動器的集成位置傳感接口。對于許多應(yīng)用，首選具有外部電機驅(qū)動開關(guān)，以優(yōu)化電機的電壓和電流要求。

這些因素決定了我們的抗輻射設(shè)計電機控制IC LX7720的基本要求。

設(shè)計分區(qū)

劃分通用設(shè)計方法的第一步是在所有不同的應(yīng)用程序中尋找共同元素。BLDC 電機需要某種類型的開關(guān)設(shè)備來排序和調(diào)節(jié)流向電機線圈的電流。許多應(yīng)用需要半橋配置的脈寬調(diào)制開關(guān)。步進電機可以使用高邊、低邊或半橋驅(qū)動器，如果是雙極步進電機，則需要兩個全橋輸出。參見圖1。

圖 1：兩相步進電機配置。

電路設(shè)計

在設(shè)計半橋驅(qū)動器時，眾所周知，N溝道金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）作為開關(guān)的性能通常優(yōu)于同等尺寸的P溝道MOSFET;因此，尺寸和具有成本效益的系統(tǒng)將利用所有NMOS功率開關(guān)和浮動高邊驅(qū)動器。所有閉環(huán)電機控制算法都需要電流檢測，因為電機轉(zhuǎn)矩與線圈電流成正比。多功能系統(tǒng)設(shè)計將提供浮動電流檢測，可配置為電源線（高壓側(cè)）檢測、接地電流檢測和電機端子（直列）電流檢測。以半橋配置的開關(guān)節(jié)點為基準的電流檢測帶來了從大共模電壓信號和極快的共模壓擺率中提取微小電流檢測電壓的挑戰(zhàn)。

旋轉(zhuǎn)變壓器或LVDT等位置傳感器由勵磁器基準驅(qū)動的變壓器初級組成。必須對變壓器次級進行采樣以提取位置信息。稱為跟蹤轉(zhuǎn)換的閉環(huán)系統(tǒng)可以根據(jù)加速度、速度和位置誤差來補償已知的延遲。參見圖 2。

圖 2：旋轉(zhuǎn)變壓器和 LVDT

用于控制永磁同步電機（PMSM）的算法與控制步進電機所需的算法有很大不同。多功能系統(tǒng)具有可編程邏輯以適應(yīng)應(yīng)用。使用LX7720考慮了上述所有屬性的多功能系統(tǒng)如圖3所示。

圖 3：使用 LX7720 的電機控制系統(tǒng)框圖。

工藝開發(fā)和表征

運動控制電子元件可分為三個特定的IC工藝要求。由于航天器中的電機可以在高達150V的電壓軌下工作，因此需要能夠承受這些更高電壓的過程。

? 由于MOSFET驅(qū)動器通常需要高電流，因此DMOS工藝是最有效的。

? 對于Σ-Δ調(diào)制器的信號處理和邏輯，需要具有更高密度和更大帶寬的更低電壓過程。

? 對于數(shù)字配套IC，需要非常小的幾何CMOS工藝。

采用非專門設(shè)計用于輻射暴露的商業(yè)工藝的工藝需要開發(fā)特殊的工藝設(shè)計套件（PDK）模型，該模型將輻射暴露的影響考慮在內(nèi)。這涉及將設(shè)備暴露在輻射中并對其行為進行建模。當電路設(shè)計人員使用這些PDK模型設(shè)計電路時，會考慮預(yù)期的輻射效應(yīng)，并有助于使最終的電路拓撲通過設(shè)計進行輻射強化。

函數(shù)分區(qū)和包設(shè)計

在該系統(tǒng)中的三個不同IC之間劃分的功能的一個示例是浮動電流檢測。浮動電流檢測利用高壓 IC 的寬動態(tài)范圍與電流檢測電阻接口。在高壓過程中實現(xiàn)了一個初始增益級，該級將其輸出饋送到在5V過程中實現(xiàn)的儀表放大器。5V IC與數(shù)字IC共享相同的信號地。一旦電平從浮動高壓轉(zhuǎn)換到以地為參考的信號地，就會使用BiCMOS工藝中實現(xiàn)的二階Σ-Δ調(diào)制器對模擬信號進行采樣。由于具有較小幾何形狀的屬性，低壓工藝可以在更小的空間和更高的帶寬下實現(xiàn)功能。調(diào)制器的輸出是與數(shù)字IC電壓兼容的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流在模擬前端（AFE）和數(shù)字IC之間路由時僅消耗一個封裝引腳。參見圖 4。

圖 4：浮動電流檢測設(shè)計。

在數(shù)字IC中，專用IP模塊執(zhí)行sinc3濾波器和抽取功能，其速度可以在AFE 5V工藝中無法支持的速度完成。從檢測電阻到數(shù)字控制環(huán)路的這條流水線充分利用了它所通過的每個IC的獨特功能。高壓和低壓模擬硅芯片可以共同封裝為一個器件，從引腳輸出來看，LX7720是一個單一的IC。這種芯片的聯(lián)合封裝利用了每種工藝的優(yōu)勢。

數(shù)字IP模塊開發(fā)

使用耐輻射FPGA或MCU以及多功能混合信號IC作為其配套芯片是我們整體系統(tǒng)解決方案方法的精髓。電機控制功能的數(shù)字信號處理可以劃分為功能塊，以提供最大程度的IP重用?？梢愿鶕?jù)所需的控制算法類型向應(yīng)用程序添加或刪除函數(shù)?？梢酝ㄟ^設(shè)置變量來自定義單個塊。參見圖 5?？刂菩阅軝?quán)衡的變量的一個示例是 sinc3 濾波器 IP 模塊中的抽取率設(shè)置。具有較高過采樣率的信號將具有更高的分辨率，但代價是延遲更長。CAD設(shè)計工具，如Microchip的Libero? SoC，允許對塊進行配置和定制。

圖 5：延遲和分辨率的抽取權(quán)衡

用于 IP 模塊開發(fā)的設(shè)計流程元素：

? 確定模塊輸入和輸出

? 指定系統(tǒng)要求

? 開發(fā)系統(tǒng)數(shù)學模型

? 生成高密度脂蛋白代碼

? 創(chuàng)建分層塊

? 在頂級進行模擬

? 使用硬件進行測試

輻射測試

LX7720的耐輻射性可以通過以約100 rad/sec的速度測試TID至50 krad總電離劑量，使用50.0 rads/sec的增強低劑量率測試ELDRS至0035 krad，以及使用1 x 108 ppm/cm的通量和約85 MeV/mg-cm2的線性能量傳遞的（SEE）單事件效應(yīng)來證明。單事件閂鎖 （SEL） 是在將電源軌調(diào)整到其最大電壓水平的情況下測量的。單事件瞬變 （SET） 測試可監(jiān)控電源軌輸入電流和穩(wěn)壓輸出電壓。我們還監(jiān)控傳感器調(diào)制輸出和驅(qū)動器輸出是否存在毛刺和偏移。在卸下電源軌的情況下測試SET的冷備漏洞。對于單事件翻轉(zhuǎn)（SEU），我們運行掃描鏈測試例程，循環(huán)監(jiān)控鎖存數(shù)據(jù)的完整性。單事件功能中斷 （SEFI） 可能發(fā)生在上電復位或 UVLO 線路上，這可能會啟動錯誤的復位。

審核編輯：郭婷