Na oběžnou dráhu s novou rodinou. V plastu, a přece bezpečně

Zkratky, jako jsou CAN, OZ nebo POL, jsou v našem oboru velmi dobře známé. A najdou se i souvislosti, které je budou vzájemně provázet. Pro pořádek však doplníme ještě jednu – LEO. Nepůjde sice o znamení zvěrokruhu, každopádně zase tak daleko od pravdy nebudeme. Stačí se jen podívat vzhůru.

Nadpozemská elektronika

Dvacátého září roku 2017 vysílá Intersil do světa zprávu, ve které informuje o první trojici členů ve své nové rodině integrovaných obvodů [1]. Prvky dostávají plastová pouzdra a také předpoklad dobře snášet radiační zátěž. Výrobce zároveň nastiňuje jejich cílovou misi, když poukazuje na vznikající prostor pro malé satelity, které by mohly přinést stovkám milionů uživatelů po celém světě vysokorychlostní připojení k internetu. Odhlédneme-li pak od vlád či obchodu, znamená taková „letka“ mnoha malých družic na nízké oběžné dráze Země LEO (z angl. Low Earth Orbit) vznik širokopásmových spojů pokrývajících každý kout naší planety. A pokud o životní potřebě lajkovat vše okolo sebe přesvědčíte i toho nejzapadlejšího venkovana, třeba se přidá i on.

Plastovými obvody s přívlastkem „Rad-Tolerant“ zde budou 3,3V transceivery CAN (Controller Area Network) ISL71026M [2], 40V čtyřnásobný precizní operační zesilovač ISL71444M se vstupy a výstupy typu rail-to-rail (RRIO, [3]) nebo též 6A měnič napětí ISL71001M spínající přímo v místě zátěže – POL [4]. A ta může být hodně vysoko nad povrchem Země, třeba jako na obr. 1.

Tolerujeme pět let

V Intersilu proto přichází s testy, definují dávku TID (Total Ionizing Dose) až 30 krad(Si) a pro případy tzv. SEE (Single Event Effect) zde uvažují SEB, SEL, SET a SEFI (Single Event Burnout, Latch-up, Transient nebo Functional Interrupt) spolu s lineárním přenosem energie LET (Linear Energy Transfer) 43 MeV ∙ cm²/mg. Pro pořádek ještě doplníme hranici vymezující obvody Rad- -Hard a naše Rad-Tolerant, která zde činí 75 krad. Té sice za předpokladu LDR (Low Dose Rate) <10 mrad(Si) nedosahujeme ani z poloviny, nicméně vypustit takto osazené malé komerční družice na nízké oběžné dráhy se přesto bát nemusíme. Struktury řady ISL71xxxM upotřebíme též v avionických systémech provozovaných ve výškách nad 40 km, nosných raketách odolávajících těžkým iontům nebo např. lékařské elektronice. Jak vyplývá z dokumentu výrobce popisujícího smysl takového počínání [5], půjde o návrh menších obvodů pro povrchovou montáž s příznivější cenovkou, třebaže se na jejich vývodech počítá s niklem, palladiem či zlatem. Intersil pamatuje na teplotní rozsah od –55 °C až do +125 °C, zahořování po dobu až dvou tisíc hodin, pět stovek teplotních cyklů nebo např. zkoušku odolnosti pouzdra vůči vlhkosti.

Jak se ostatně můžete sami přesvědčit, čestné místo v dokumentaci zaujímá také část věnovaná testům v prostředí s radiací – viz TID a SEE. Výrobce však pracuje se vzorky, výlukami typu „not guaranteed“ a nevyužívá ani velkých keramických pouzder, natož aby pak ve výrobě důkladně prověřoval každou ze součástek. Také proto se podařilo snížit cenu za plastová provedení spolu s předpokládanou délkou misí na pět let. Hodně, nebo málo? Život je o kompromisech, a jak se zdá, nemusí to platit pouze na povrchu planety.

Zesilovat, napájet a hlavně vydržet

Radiační zátěž musí snášet transceivery CAN ISL71026M. Pracují s rychlostí do 1 Mbps, v rámci souhlasného rozsahu od –7 V až do +12 V a také s maximálním počtem 120 uzlů. Pouzdro typu TSSOP se 14 vývody měří 5 × 4,4 mm. Čtyřnásobné 19MHz operační zesilovače ISL71444M vyžadují napájecí napětí od 2,7 V až do 40 V, zajistí vstupní napěťový offset 400 μV, rychlost přeběhu 60 V/μs a každý z OZ pak vykáže svůj typický odběr 1,1 mA. Pouzdření zůstává beze změny, stejně jako odkaz na zapojení z obr. 2.

Výměnou za rozměry posledního z trojice výchozích prvků, synchronně snižujících měničů ISL71001M s vestavěnými MOSFETy, poteče pouzdry typu EP-TQFP se 64 vývody a 10 × 10 mm až 6 A. Na vstupu očekávají napětí mezi 3 a 5,5 V, aby pak na opačném konci zajistily regulovaný výstup, který externě dostavíme mezi 0,8 V a 85 procenty vstupního napětí. Spínají na pevném kmitočtu 1 MHz a v zapojeních s hradlovými poli FPGA vyžadujícími samostatná napájení pro jádro a vstupy i výstupy bude možné společně synchronizovat dva takové zdroje se špičkovou účinností dosahující až 95 %.

Vývojovou desku dostávají všechny tři součástky, na obr. 3 se však vešla jen varianta pro spínaný zdroj.

Pro ty, co míří výš

Během přípravy tohoto článku nás v redakci zastihla ještě jedna novinka Intersilu [6]. Také má namířeno vzhůru, chlubit se však bude v poněkud jiném těle. Seznamte se, prosím, „Radiation Hard-ened Quad Power Supply Sequencer“ v provedení obvodů ISL- 70321SEH a ISL73321SEH navržených k řízení zdrojů napájejících v místě zátěže POL, např. pole FPGA či jiná komplikovanější zapojení s větším počtem napájecích hladin.

Jediným prvkem v pouzdrech typu CDFP s 18 vývody a rozměry 10 × 12 mm zde řídíme posloupnosti až pro čtyři napájecí zdroje. A pokud součástky nahrazující samostatné komparátory, kapacity a také rezistory zapojíme kaskádně, dostáváme prakticky neomezené možnosti. Zároveň se bude jednat o vůbec první obvody svého druhu, které mohou řízení sledu podložit kompletními testy dokládajícími odolnost vůči radiaci. Pro HDR (High Dose Rate) v případě ISL70321SEH až do 100 krad(Si) a LDR pak až 75 krad(Si). Při zapínání a vypínání DC/DC měničů si vystačí pouze se dvěma rezistory pro monitorování napětí každého zdroje, resp. jediným rezistorem definujícím časovou prodlevu, přičemž zvládnou aktivně sledovat až sedm různých podmínek vzniku poruchy. A pochválit musíme též za hezkou ilustraci na obr. 4, stejně jako aktuální přehledovou publikaci „Space Products“ z listopadu 2017 a obr. 5 zahrnující rovněž naše plastové novinky [7].

Už jen Renesas. Na Zemi i mimo ni

A na závěr ještě jednu poznámku. Společnost Renesas nedávno oznámila svůj plán změnit k prvnímu lednu 2018 jméno firmy Intersil, kterou získala v únoru 2017, na nové „Renesas Electronics America“. Důvod změny názvu má souviset s přechodem na jinou organizační strukturu a třeba i filozofií jedné celosvětově působící firmy [8].

Ať již bude výsledek jakýkoli, zkušenosti sbírané takřka po dobu šesti dekád se musí někde projevit. Třeba i mimo naši planetu. Vždyť s prvním multiplexerem Rad-Hard, stejně jako třeba s operačními zesilovači BiMOS, Intersil přichází již v roce 1984. Dvacet let poté, co světlo světa v roce 1964 spatřuje vůbec první integrovaný obvod SOIC určený taktéž do nadpozemských výšin.