Red de conocimiento informático - Problemas con los teléfonos móviles - Lecciones aprendidas de la pérdida de 40 satélites de SpaceX debido a la radiación espacial: enfoque en el diseño de circuitos integrados resistentes a la radiación

Lecciones aprendidas de la pérdida de 40 satélites de SpaceX debido a la radiación espacial: enfoque en el diseño de circuitos integrados resistentes a la radiación

El espacio, como "última frontera", ha sido un área de creciente preocupación, especialmente para los dispositivos electrónicos. Empresas como Microchip, BAE Systems, Intel, CAES y Lattice Semiconductor están trabajando para lograr mejores diseños de circuitos integrados de grado espacial.

Diseñar tecnología espacial puede resultar costoso, complejo y arriesgado. La tecnología espacial a menudo sólo tiene una oportunidad de tener éxito o fracasar: lanzarla al espacio.

Recientemente, SpaceX informó que hasta 40 de los 49 satélites Starlink que lanzó el 3 de febrero de 2022 se perdieron de la órbita terrestre baja.

Anunciaron que la mayoría de estos satélites perdidos fueron afectados por tormentas geomagnéticas, que son causadas por la interferencia entre el campo magnético de la Tierra y las partículas cargadas del sol.

La tormenta provocó un aumento de la resistencia atmosférica, lo que provocó el mal funcionamiento de algunos sistemas aéreos. Los 40 satélites en desorbitación entrarán o ya han entrado en la atmósfera terrestre para garantizar un entorno espacial sostenible.

Este incidente enfatiza aún más la importancia de que los diseñadores de sistemas espaciales seleccionen componentes de alta confiabilidad de grado espacial para los sistemas de control de satélites.

Sin embargo, los dispositivos electrónicos se enfrentan a desafíos impredecibles en el espacio, desde temperaturas extremas hasta altos niveles de radiación espacial. Además, una vez que se produce un mal funcionamiento, el satélite no se puede reparar.

Por lo tanto, siempre existe la necesidad de dispositivos electrónicos resistentes con un tiempo medio hasta fallar (MTTF), una métrica relacionada con la confiabilidad o la vida útil promedio de un componente.

Con eso en mente, este artículo analizará algunos de los desafíos que enfrentan los circuitos electrónicos en el espacio y luego profundizará en tres de los últimos proyectos en las industrias espaciales y de endurecimiento por radiación.

Hay muchas cuestiones a considerar al diseñar dispositivos electrónicos para la "última frontera".

El primer obstáculo que deben soportar los equipos electrónicos es la vibración y el ruido que se generan cuando se inicia el lanzamiento. Estas vibraciones repentinas pueden dañar o incluso provocar un cortocircuito en los equipos eléctricos, por lo que la electrónica de grado espacial debe pasar varias pruebas de vibración y absorción de impactos.

Otro desafío es el alto nivel de descarga electrostática debido al efecto fotoeléctrico y al plasma de baja densidad que rodea al satélite. En el entorno espacial, los componentes eléctricos deben soportar descargas de hasta 20.000 V. Para evitar esto, es mejor utilizar una capa de material que resista la acumulación de carga.

Además de estos problemas, los componentes electrónicos de grado espacial también enfrentan importantes desafíos de gestión térmica. Los componentes electrónicos están sujetos a fluctuaciones extremas de temperatura en el espacio y los envases cerámicos pueden brindar protección contra estos entornos altamente hostiles.

Sin embargo, el problema radica en la disipación del calor generado por los componentes electrónicos, porque la conducción del calor no se produce en el vacío. Cuando los componentes se exponen a altas temperaturas, su esperanza de vida se reduce drásticamente.

Cuando se trata de la fiabilidad de los componentes espaciales, el mayor obstáculo es la radiación.

En el espacio, los dispositivos electrónicos son susceptibles a una variedad de partículas ionizadas y sin carga, como partículas alfa y beta, fotones, rayos X y rayos gamma.

Estas partículas pueden afectar a los componentes electrónicos y producir comportamientos indeseables, clasificados como Dosis Ionizante Total (TID) y Efectos de Evento Único (SEE). TID es una falla a largo plazo relacionada con MTTF.

Los efectos que provocan el TID suelen estar relacionados con la acumulación de carga en los dispositivos semiconductores. La acumulación de carga puede provocar fugas de corriente, reducción de ganancia, características de entrada y salida insatisfactorias y problemas permanentes más graves.

El SEE es causado por la inyección de carga a través del dispositivo por parte de partículas de alta energía. Estos efectos pueden provocar cambios de bits, cambios en el estado de la memoria y muchos problemas permanentes, como daños por óxido de puerta, efectos de enganche y más.

Como hemos observado, los dispositivos electrónicos se enfrentan a muchos desafíos impredecibles en el espacio.

Además, los instrumentos de los satélites se están volviendo más complejos a medida que los satélites modernos integran circuitos de comunicaciones de alta velocidad y otras unidades de procesamiento a bordo. Por lo tanto, necesitamos componentes de grado espacial que simplifiquen el desarrollo de sistemas.

Con todos estos desafíos en el diseño de electrónica a escala espacial, Microchip ha lanzado recientemente un producto que promete continuar impulsando el desarrollo de nuevos convertidores a escala espacial.

Recientemente, Microchip lanzó una serie de convertidores de potencia híbridos de nivel espacial de 50 W, el SA50, con salidas estándar de 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V y 28 V en configuración de salida simple y triple. . Estos dispositivos están diseñados para simplificar los sistemas y avanzar en las aplicaciones espaciales.

Los diseñadores de sistemas espaciales no tienen la flexibilidad para utilizar convertidores de potencia para combinar circuitos con voltajes de entrada no estándar. Como resultado, los convertidores flexibles de Microchip ayudan a los diseñadores a cumplir requisitos específicos de voltaje y corriente y simplificar sus sistemas.

En resumen, el convertidor SA50 cumple con los estándares EMI y es tolerante a la radiación. Los convertidores tienen un MTTF de 8 millones de horas y una eficiencia de 87, que se afirma que es la más alta de cualquier convertidor híbrido CC-CC de nivel espacial.

A medida que el espacio se convierte en una parte importante de la industria electrónica, la aparición del hardware de comunicaciones y satélites requiere más componentes de grado espacial.

BAE Systems recibió recientemente un contrato de 60 millones de dólares del Stony Island Army Contracting Command para desarrollar microelectrónica de grado espacial con Intel Foundry Services, la fundición comercial de Intel.

Actualmente, ninguno de los ASIC (Circuitos Integrados de Aplicación Específica) y otros circuitos integrados más avanzados del mercado son de grado espacial. Como resultado, FAST Lab de BAE Systems e Intel pretenden ampliar la electrónica disponible para aplicaciones espaciales. Juntos están construyendo una nueva biblioteca de diseño en **** para allanar el camino hacia la microelectrónica espacial avanzada.

Además de los servicios de fundición de Intel, BAE Systems está trabajando con un equipo que incluye Cadence Design Systems, la Universidad Carnegie Mellon, Movellus, Reliable MicroSystems y Sandia National Laboratories.

Con tantas empresas involucradas y trabajando para crear circuitos integrados de grado espacial, se está comenzando a generar impulso para futuros componentes.

BAE Systems e Intel no son las únicas empresas que buscan adentrarse en el diseño de electrónica espacial.

CAES y Lattice Semiconductor anunciaron recientemente una asociación para lanzar FPGA Lattice de grado espacial.

Los FPGA Certus-NX-RT y CertusPro-NX-RT están desarrollados para ser compactos y energéticamente eficientes. Se basan en una tecnología de proceso de 28 nm y cuentan con un proceso de fabricación de silicio sobre aislante (FD-SOI) totalmente empobrecido y endurecido por radiación y una terminación de estaño-plomo (SnPb) de alta temperatura.

Esta colaboración abordará la creciente demanda de células de programación a nivel espacial programables de bajo consumo. Esam Elashmawi, director de estrategia y marketing de Lattice Semiconductor, cree que con la tecnología FPGA de Lattice y el conocimiento aeroespacial de CAES, pueden acelerar la satisfacción de las necesidades de las aplicaciones espaciales.

Diseñar sistemas espaciales que duren décadas es una tarea desafiante que se vuelve cada vez más compleja a medida que aumenta la complejidad de los dispositivos semiconductores y el endurecimiento por radiación.

El tamaño cada vez más reducido de los dispositivos los hace más susceptibles a los efectos de la radiación. Siempre existe un equilibrio entre rendimiento y confiabilidad, y los proveedores de componentes de calidad aeroespacial están trabajando arduamente para superar este desafío.

Sin embargo, la falta de equipos electrónicos avanzados de grado espacial se está abordando lentamente a medida que muchas empresas y organizaciones introducen diversos equipos resistentes a la radiación.