Введение

M. S. Kennedy Corporation (MSK) была основана в 1971 году как разработчик и изготовитель высококачественных аналоговых интегральных схем. В 1988 году технологические линии, конструкторское и испытательное оборудование было сертифицировано Центром по снабжению Министерства обороны США (Defense Supply Center, Columbus) на соответствие стандарту MIL-STD-1772, класс “H”, актуальным аналогом которого является стандарт MIL-PRF-38534, класс “H”. Этот сертификат удостоверял, что качество произведенных гибридных интегральных схем соответствует требованиям, предъявляемым к изделиям для военных применений. Следующим шагом в развитии компании стала аттестация в 1997 году для производства гибридных интегральных схем космического уровня качества (MIL-PRF-38534, класс “K”). Следует отметить, что на момент аттестации только пять компаний в мире были сертифицированы для производства изделий столь высокого уровня качества. В 2012 году компания прошла аттестацию на соответствие стандарту MIL-PRF-38535, класс “V”, что позволило ей расширить номенклатуру изделий космического уровня качества монолитными интегральными схемами.

MSK входит в перечень квалифицированных изготовителей ЭКБ для космических и военных применений — Qualified Manufacturers List (QML). Значительная часть выпускаемой номенклатуры включена в перечень рекомендованных к применению изделий, о чем свидетельствует наличие SMD-номеров. Дополнительным преимуществом компании является сертифицированная DSCC методика испытаний изделий на радиационную стойкость (Radiation Hardness Assurance Plan), что позволяет обозначать уровень радиационной стойкости по накопленной дозе (TID) соответствующим символом в SMD-номерах изделий.

Целевыми сегментами рынка компании являются космическая и оборонная промышленность. Изделия для этих отраслей составляют 60% и 30% оборота компании соответственно. Остальные 10% приходятся на авиационную и нефтегазодобывающую промышленность.

Преимущества изделий, изготовленных на основе радиационностойких кристаллов

Существуют две методики производства радиационностойких изделий — на основе отбора индустриальных кристаллов (так называемый Up-Screening) и на основе радиационностойких кристаллов.

Следует отметить, что компания MSK для производства своих изделий применяет исключительно радиационностойкие кристаллы, основным поставщиком которых является компания Linear Technology.

Технология изготовления радиационностойких кристаллов принципиально отличается от технологии изготовления индустриальных, что позволяет на стадиях проектирования топологии и выращивания кристалла повысить стойкость к воздействию ионизирующего излучения как высокой, так и низкой интенсивности. Жесткая система контроля качества гарантирует идентичность параметров кристаллов из разных партий, что дает возможность прогнозировать отклонение характеристик при облучении.

В качестве примера на рис. 1 изображены графики, поясняющие смысл деградации характеристик линейного стабилизатора напряжения при воздействии ионизирующего излучения. При облучении происходит отклонение от номинального значения напряжения встроенного в линейный стабилизатор источника опорного напряжения. Пропорционально отклоняется и выходное напряжение линейного стабилизатора. Судя по графикам, при накоплении 100 крад напряжение встроенного источника опорного напряжения индустриального кристалла изменяется на 2–3%, тогда как у радиационностойкого кристалла при аналогичной дозе этот параметр отклоняется лишь на доли процента. Также следует отметить, что на скорость деградации характеристик радиационностойкого кристалла практически не влияет подача напряжения питания.

Рис. 1. Зависимость напряжения встроенного ИОН от накопленной дозы

Единственным недостатком радиационностойких кристаллов является их стоимость. Но нужно учитывать, что при использовании индустриальных кристаллов их низкую стоимость компенсируют высокие расходы на последующие испытания, особенно если требуются результаты испытаний на воздействие тяжелых заряженных частиц и низкоинтенсивного ионизирующего излучения.

Также следует отметить, что большинство изделий MSK космического и военного уровней качества доступны в конструктивно-совместимом индустриальном исполнении, что позволяет при макетировании использовать относительно дешевые изделия и избежать последующего изменения топологии печатной платы. Многие конкуренты, в номенклатуре которых представлены изделия для высоконадежных применений, применяют различные типы корпусов для изделий разного уровня качества. Это приводит к тому, что при макетировании разработчики вынуждены использовать либо дорогостоящие квалифицированные изделия, либо более дешевые индустриальные аналоги и впоследствии изменять топологию печатной платы.

Обзор номенклатуры радиационностойких изделий M. S. Kennedy

Номенклатура радиационностойких изделий M. S. Kennedy представлена следующими группами изделий:

• линейные стабилизаторы положительного напряжения;
• линейные стабилизаторы отрицательного напряжения;
• линейные стабилизаторы напряжения двуполярные;
• ШИМ-контроллеры;
• DC/DC-конвертеры;
• DC/DC-конвертеры со встроенными пассивными компонентами;
• источники опорного напряжения;
• мультиплексоры;
• аналоговые коммутаторы;
• интегральные схемы для управления двигателями;
• операционные усилители;
• компараторы;
• усилители мощности и буферные усилители.

Следует отметить, что наиболее развиты группы микросхем управления питанием. Импульсные стабилизаторы MSK обеспечивают выходной ток до 20 А. Линейные стабилизаторы с выходным током до 5 А позволяют запитывать цепи, имеющие повышенную чувствительность к уровню пульсаций напряжения питания.

Помимо интегральных микросхем и модулей для космических применений, компания MSK предлагает широкий перечень изделий для военной, авиационной и нефтегазодобывающей отраслей промышленности, но их обзор выходит за рамки этой статьи. Также существует возможность производства заказных и модификации серийных изделий с целью изменения их характеристик по ТЗ заказчика.

Микросхемы управления питанием M. S. Kennedy

Как было отмечено выше, в номенклатуре радиационностойких изделий компании MSK наиболее развитыми группами являются микросхемы управления питанием. Некоторые из них не имеют конкурентов по совокупности своих характеристик. Рассмотрим более подробно два таких изделия.

DC/DC-конвертер MSK5063RH

Структурная схема гибридной интегральной микросхемы MSK5063RH приведена на рис. 2. В состав микросхемы входит радиационностойкий кристалл RH3845 производства компании Linear Technology и два силовых транзистора, обеспечивающих выходной ток 10 А.

Рис. 2. Структурная схема MSK5063RH

Основные технические характеристики DC/DC-конвертера MSK5063RH:

• входное напряжение: 4–60 В;
• минимальное для запуска входное напряжение: 7,5 В;
• потребляемый ток: 6 мА;
• потребляемый в спящем режиме ток: 65 мкА;
• выходное напряжение: 1,2–36 В;
• выходной ток: 10 А;
• рабочая частота: 100–500 кГц;
• рабочая частота при синхронизации с внешним источником тактового сигнала: 100–600 кГц;
• корпус: герметичный Flatpack-46.

Кристалл RH3845 представляет собой ШИМ-контроллер с токовым режимом управления. Преимуществом этого ШИМ-контроллера является возможность работы в режимах, позволяющих существенно повысить эффективность при малых токах нагрузки. Это особенно важно при длительном автономном функционировании в составе бортовых систем космического аппарата. Следует отметить, что описанные ниже энергосберегающие режимы широко распространены при построении источников питания коммерческого и индустриального исполнений, но для космических применений они стали доступны только после разработки кристалла RH3845.

Пакетный режим (Burst Mode)

Переход в пакетный режим происходит автоматически при снижении тока нагрузки до 15% от максимального значения. Контроллер формирует пакет из нескольких импульсов, заряжая емкость выходного конденсатора. После этого генерация прекращается, большинство внутренних цепей переводится в спящий режим, что позволяет снизить потребляемый микросхемой ток до 120 мкА. Нагрузка питается от выходного конденсатора до того момента, пока напряжение на нем не снизится до установленного порогового значения. Затем контроллер формирует следующий пакет импульсов и цикл повторяется. Временные диаграммы пакетного режима изображены на рис. 3.

Рис. 3. Временные диаграммы пакетного режима

Такое схемотехническое решение позволяет существенно снизить усредненную потребляемую мощность микросхемы, так как силовые транзисторы и большинство внутренних цепей ШИМ-контроллера находятся в активном состоянии только в период формирования пакета импульсов.

Очевидным недостатком пакетного режима является высокий уровень пульсаций выходного напряжения. Поэтому при питании цепей, чувствительных к качеству питающего напряжения, например радиочастотного тракта, предусмотрено принудительное отключение этого режима.

Режим ограничения обратного тока катушки индуктивности (Reverse-Current Inhibit; Pulse-Skipping Mode) Одной из причин снижения

Одной из причин снижения эффективности при малых токах нагрузки является возникновение обратного тока индуктивности. При этом выходной конденсатор разряжается не только через нагрузку, но и через открытый транзистор нижнего плеча DC/DC-конвертера. Это приводит к дополнительным потерям и снижению эффективности. В режиме ограничения обратного тока транзистор нижнего плеча отключается, когда ток индуктивности снижается до нулевого значения, что препятствует протеканию обратного тока.

Как изображено на временных диаграммах (рис. 4), при снижении тока нагрузки сокращается длительность рабочего цикла. Минимальное значение, до которого может быть снижена длительность рабочего цикла, определяется быстродействием схем управления затворами транзисторов и непосредственно транзисторами. При достижении этого значения контроллер периодически пропускает часть импульсов (Pulse-Skipping), что эквивалентно снижению частоты коммутации.

Рис. 4. Временные диаграммы режима ограничения обратного тока

Таким образом, при работе в этом режиме повысить эффективность позволяют два фактора: ограничение обратного тока снижает статические потери, а снижение частоты коммутации — динамические потери ключевых транзисторов. Эффективность режима при малых токах нагрузки выше, чем при работе в основном режиме (режиме непрерывного тока индуктивности), но существенно ниже, чем в пакетном режиме.

Преимуществом режима ограничения обратного тока по сравнению с пакетным режимом является значительно меньший уровень пульсаций выходного напряжения.

Основной режим (режим непрерывного тока индуктивности)

Как было отмечено выше, при необходимости существует возможность принудительного отключения энергосберегающих режимов. При этом контроллер будет работать в основном режиме независимо от тока нагрузки (рис. 5).

Рис. 5. Временные диаграммы основного режима

Напряжение на выводе MODE (BURST_EN) определяет, в каком энергосберегающем режиме разрешена работа ШИМ-контроллера:

• V_MODE < 0,5 В — разрешена работа в двух энергосберегающих режимах.
• 0,5 < V_MODE < 2,5 В — разрешена работа только в режиме ограничения обратного тока.
• V_MODE > 2,5 В — энергосберегающие режимы отключены.

Сравнение эффективности

На рис. 6 приведены графики, наглядно отображающие повышение эффективности при использовании энергосберегающих режимов.

Рис. 6. КПД в различных режимах

Судя по графикам, пакетный режим обладает наибольшей эффективностью при малых токах нагрузки, но его применение ограничено вследствие высоких пульсаций выходного напряжения. Для повышения эффективности при питании цепей, чувствительных к пульсациям питающего напряжения, рекомендуется использовать только режим ограничения обратного тока.

Линейный стабилизатор MSK5978RH

Структурная схема монолитной интегральной микросхемы MSK5978RH приведена на рис. 7. В основе микросхемы — радиационностойкий кристалл RH3080 производства компании Linear Technology.

Рис. 7. Структурная схема MSK5978RH

Основные технические характеристики линейного стабилизатора MSK5978RH:

• входное напряжение: 1,2–36 В;
• выходное напряжение: 0–35,5 В;
• выходной ток: 0,7 А;
• падение напряжения: 0,25 В;
• выходной шум (действующее значение в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц): 31 мкВ;
• корпус: герметичный Flatpack-10.

Кристалл RH3080, примененный в микросхеме MSK5978RH, построен по принципиально новой для линейных стабилизаторов архитектуре, в которой в качестве опорного элемента используется источник тока. Преимущества MSK5978RH описаны далее.

Малый уровень шума, не зависящий от выходного напряжения

В новой архитектуре (рис. 8) в качестве опорного элемента используется прецизионный источник тока с нулевым температурным коэффициентом.

Рис. 8. Упрощенная схема линейного стабилизатора, построенного по новой архитектуре

Рассмотрим источники шума такой схемы. Уровень шума, создаваемого на входе усилителя ошибки, определяется собственным шумом источника тока и тепловым шумом резистора, задающего выходное напряжение. При шунтировании этого резистора конденсатором емкостью 0,1–1 мкФ уровень шума на входе усилителя принимает столь малое значение, что им можно пренебречь. Вторым источником шума является собственный шум входного каскада усилителя ошибки, действующее значение которого составляет 31 мкВ. Усилитель ошибки имеет единичный коэффициент усиления и, как следствие, не усиливает перечисленные составляющие шума. Таким образом, действующее значение шума на выходе стабилизатора не зависит от выходного напряжения и составляет 31 мкВ.

В качестве опорного элемента компенсационного линейного стабилизатора используется источник опорного напряжения (рис. 9).

Рис. 9. Упрощенная схема компенсационного линейного стабилизатора

Основными источниками шума такой схемы являются собственные шумы ИОН и входного каскада усилителя ошибки. Усилитель ошибки осуществляет усиление этих шумов пропорционально выходному напряжению. Таким образом, уровень шума линейного стабилизатора, построенного по классической схеме, зависит от выходного напряжения. Для большинства радиационностойких стабилизаторов действующее значение шума составляет не менее 0,003% V_OUT (в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц). Например, при выходном напряжении 5 В уровень шума будет равен 150 мкВ, при 12 В — 360 мкВ.

Широкий диапазон выходного напряжения

Выходное напряжение стабилизатора, построенного по новой архитектуре, задается одним резистором и может быть понижено до 0 В. Диапазон выходного напряжения для MSK5978RH составляет от 0 до 35,5 В.

Минимальное выходное напряжение компенсационного стабилизатора определяется напряжением встроенного источника опорного напряжения, которое в подавляющем большинстве стабилизаторов равно 1,2 В. Это не позволяет запитывать современные цифровые ИС, например ПЛИС последних поколений, так как для них необходимо более низкое напряжение питания.

Возможность параллельного включения

Еще одним преимуществом новой архитектуры является возможность параллельного включения нескольких линейных стабилизаторов для увеличения выходного тока. При этом для равномерного распределения выходного тока между стабилизаторами достаточно лишь дополнить выход каждого из них балансировочным резистором небольшого номинала. Например, при номинале резисторов 10 мОм обеспечивается равномерность распределения выходного тока не менее 80% (рис. 10). Дополнение схемы резисторами столь малого номинала практически не повлияет на суммарную эффективность, так как при выходном токе 700 мА на стабилизатор падение напряжения на балансировочных резисторах составит всего 7 мВ.

Рис. 10. Параллельное включение MSK5978RH

При параллельном включении компенсационных стабилизаторов добиться равномерного распределения выходного тока позволяют только более сложные схемотехнические решения.

Корпус

Микросхема MSK5978RH выпускается в герметичном корпусе Flatpack-10 (рис. 11). Следует отметить, что в настоящее время MSK5978RH является самым компактным радиационностойким линейным стабилизатором из представленных на рынке.

Рис. 11. Корпус MSK5978RH

Заключение

M. S. Kennedy Corporation сертифицирована Центром по снабжению Министерства обороны США для производства гибридных и монолитных интегральных схем военного и космического уровня качества. Богатый опыт в разработке и производстве высоконадежной ЭКБ подтверждается широкой номенклатурой выпускаемых изделий, которая непрерывно расширяется. Все вышесказанное позволяет компании M. S. Kennedy уверенно занимать свою нишу на мировом рынке изготовителей высоконадежных аналоговых интегральных схем и модулей. В России изделия M. S. Kennedy доступны с 2009 года и уже нашли свое применение в таких космических аппаратах, как «ЛУЧ-М», «Экспресс-АМ6», «Экспресс-АМ9», «ГЛОНАСС-К2» и «ГЛОНАСС-М».