国产化中频接收模块可靠性设计

张康雷，王彦革，殷鹏程，张 博，郑荣磊

（上海航天电子技术研究所，上海 201108）

0 引 言

随着国内集成电路技术的快速发展，国产高可靠性器件在航天工程中得到了普遍应用。目前，进口元器件在实际使用中存在诸多问题，如采购周期长、停产、部分无法进行性能参数、可靠性筛选等。空间电子设备所处轨道不同，受到的辐射影响也不同，空间辐射环境中的带电离子会导致电子系统发生单粒子效应，严重影响航天器的可靠性和寿命[1]。空空通信机主要用于航天器之间的交会对接，不同型号运载火箭发射时，空空通信机所处的辐射环境和力学环境相当复杂，其中的频接收模块使用国产化抗辐器件进行设计，并为现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）主芯片增加了力学加固工装，加强了模块可靠性。

1 硬件方案

空空通信机采用层叠式的安装方案，中频接收模块安装在最顶层，通过通信处理FPGA软件和相应硬件后实现数据收发的双向功能[2]。除完成数据收发功能以外，中频接收模块还需要具备遥控、遥测的功能，其遥控包括根据指令切换功率、工作模式等，遥测用于监测发射功率、单机温度、当前工作模式等状态以及实时监控模块解码功能、软件功能、同步信息等是否正常[3]。

结合宇航产品的可靠性要求，中频处理模块尽可能选取成熟且具具备宇航工作经历的元器件。综合中频接收模块的功能需求，硬件设计主要从二次电源、内部信号处理以及对外接口3方面展开，硬件方案如图1所示。

图1 中频接收模块硬件方案

1.1 二次电源

中频处理模块使用5 V电压对模块进行供电，内部元器件需使用的电压分别为3.3 V、2.5 V、1.5 V。本模块选用了国产的3款LW5230系列线性稳压器，分别设计了电压转换电路以得到所需要的输出电压。LW5230系列稳压器输出电压变化≤±0.1%，线性调整率≤±0.1%，负载调整率≤±1%，输出电压精度高，且具备过压、过流、输出短路等保护功能。一款LW5230系列器件的电压转换电路如图2所示，并在电路中设置输出电压测试点，可利用万用表对转换后的电压进行测量，满足设计预期后再对后端电路进行加电，保证后端电路及器件的安全性。

图2 电压转换电路

1.2 内部信号处理

根据实际资源使用需要，中频接收模块中使用了1片FPGA芯片，BQR2V3000作为主芯片，是等效系统门数为300万门的SRAM型FPGA，在中频接收模块中的作用是完成中频信号解扩、解调和基带信号的编码组帧输出。电源需求为3.3 V和1.5 V，加载方式为slave SelectMap，上电时所有引脚配置为高电平。FPGA把组帧、编码和扩频之后的数据分成I路和Q路，送至I路接口和Q路接口。

空空通信机有扩频与非扩频两种数据传输模式，信号处理硬件配置如图3所示[4]。中频接收模块采用两片PROM存储芯片（17V16），用于存储两种传输模式下的软件程序，程序之间的切换由外部遥控指令控制，反绒丝FPGA根据遥控指令读取PROM存储芯片中的软件，并加载到主芯片中[5]。

图3 信号处理硬件框图

1.3 对外接口

中频接收模块输入输出采用差分信号，需完成4组差分信号输出、3组差分信号输入，因此选用了B54系列B54LVDS031、B54LVDS32两片国产LVDS芯片。这一系列芯片可支持处理400 Mb/s（200 MHz）频率的信号，采用低功耗的CMOS工艺，340 mV标准差分输入/输出电压，最大4 ns的数据传输延时[6]。

2 抗辐射和力学加固设计

2.1 抗辐射设计

中频接收模块中使用的FPGA主芯片是SRAM型FPGA，易受空间单粒子影响而产生单粒子翻转。FPGA主芯片本身抗电离总剂量能力为100 krad（Si），以中频接收模块为壁厚3 mm硬铝等效屏蔽后轨道辐射总剂量385.0 rad（Si）为基准，可计算辐射设计裕度为258.7，具备高抗辐能力。在设计时选用PROM来存储程序，不存在单粒子翻转风险，所以当FPGA内部程序区数据被打翻时，芯片中程序可以通过重新加载得到恢复[7]。此外，中频接收模块利用反熔丝FPGA完成对FPGA主芯片进行实时程序回读比对以及重加载等功能，在设备开机即为回读允许状态，如果发生单粒子翻转进而造成功能中断，则对程序进行重载，并不断重复这个流程，以抗单粒子翻转[8]。

二次电源设计中使用了LW5230系列器件，对外接口使用了B54系列国产LVDS芯片，以中频接收模块为壁厚3 mm硬铝等效屏蔽后轨道辐射总剂量为385.0 rad（Si）为基准，可计算辐射设计裕度（RDM）分别为129.5、776.7，均具备高抗辐能力。

2.2 力学加固设计

FPGA主芯片BQR2V3000是中频接收模块的关键器件，底部是高铅含量的焊柱阵列，中部为陶瓷基板，集成芯片置于基板顶部。在防护不足情况下进行大量级的力学试验，可能会产生晃丝现象，从而造成不可逆的损坏甚至功能丧失。

空空通信机采用了模块式设计，结构上采用层叠安装，其中中频接收模块位于空空通信机最顶层，最底面为安装面，整机结构示意如图4所示。力学试验过程中，位于顶层的中频接收模块受到的力学响应最大[9]。

图4 整机结构示意

在FPGA主芯片BQR2V3000实物的四周增加了力学加固工装，并在工装与器件实物四角衔接处加注环氧胶防松，如图5所示。

图5 FPGA四周挡块示意

在FPGA主芯片BQR2V3000增加力学加固工装后进行力学试验，经过验证，中频接收模块可以承受随机振动总均方根加速度为9.68 grms、正弦振动为12 g、冲击试验为1 500 g量级的试验条件[10]。

3 结 论

本文介绍了基于国产化器件的中频接收模块硬件方案，介绍了模块二次电源、内部信号处理、对外接口3个方面的元器件选型方案，从器件抗辐能力及增加的力学加固措施进行阐述，具体指出国产器件对于中频接收模块的适用性及力学加固工装的作用，对后续实现空空通信机中频接收模块国产化及工程使用具有实际意义。