光电信号处理系统单粒子锁定的解锁控制电路设计及试验验证

张旭辉，李 强，王殿中，郭 刚

（1.北京空间机电研究所 中国空间技术研究院空间光学遥感器技术核心专业实验室，北京100094；2.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京102413）

0 引言

伴随着电子技术和航天信息化发展，各应用领域对空间光学遥感器在轨全天时、全方位、全天候连续稳定运行提出更高要求。光学遥感器光电信号处理系统[1]中使用了集成度高、工艺复杂的CCD视频信号处理器大规模集成电路，其器件内部一般集成了相关双采样（CDS）、可调增益放大（PGA）、暗电平钳位校正、参考电压、A/D转换、输出缓冲、串口配置、时序逻辑发生等模块。视频信号处理器件内部对单粒子效应敏感的电路单元至少包含CMOS模拟开关、运算放大器（比较器、增益放大）、CMOS逻辑器件等，这些敏感单元发生单粒子锁定（SEL）时，将对光学遥感器在轨可靠工作造成严重威胁，面临任务中断甚至失败的风险[1-3]，如图像缺失、图像中断以及图像功能永久丧失。

本文利用CMOS器件锁定发生时电流突增的特征，针对视频信号处理器件在光电信号处理系统中的应用环境，以自动消除或恢复视频信号处理器件单粒子锁定[3]引起的系统成像功能中断为目标，进行了光电信号处理系统单粒子锁定防护技术研究，开展了解锁控制电路与系统电路融合嵌入式设计与验证试验，实现了视频信号处理器件发生单粒子锁定时光电信号处理系统的自动解锁控制。

1 研究对象

CCD光学遥感器光电信号处理系统[3]由CCD及周围电路、信号处理电路、数据转换电路等组成，实现信号模/数转换、电源转换滤波、数据缓冲、数字数据格式转换等功能。系统设计指标为：电源±5V、±3.3 V；信号频率12MHz；数据合成频率72MHz。信号处理电路中包含视频信号处理器件（AD9942）、滤波放大器、FPGA、电源芯片等器件。其中，4只双通道视频信号处理器件对应于4096（8×512）元线阵探测器CCD的8通道视频（并行）输出，实现视频信号的采集处理。AD9942由ADI公司制造，为双通道、14-bit 数字量化器件，工作电压3.3 V，最大相关双采样频率40MHz，质量等级为工业级。

本文针对视频信号处理器件（AD9942）单粒子锁定效应，对CCD 光学遥感器光电信号处理系统进行系统级防护研究。

2 单粒子锁定效应及防护思路

正常情况下，AD9942器件电源输入端的工作电流为365mA（4只器件总电流），快视图像显示深灰色（见图1(a)），像元DN值（模拟输入600 mV）为5376～5630（见图1(b)）。发生单粒子锁定时，光电信号处理系统快视图像及图像数据将出现异常[3]，任务功能中断，如图1所示：AD9942某个通道发生锁定后无图像输出，显示黑条（见图1(a)），图像数据对应的像元DN 值偏离正常范围，数值为0（见图1(b)）。

CMOS电路由于存在寄生可控硅结构，在某些特定条件下会发生锁定失效。器件发生锁定失效的一个最重要特征是锁定器件在功能丧失的同时，伴有工作电流突然大幅度增加并维持在异常水平，这就为判别器件是否发生锁定提供了依据。而通过切断供电，可以有效解除器件的锁定，器件功能可在再次供电时恢复正常。因此，这种断电—加电的防护方式被认为是有效解除器件锁定的办法[4-6]。

依据上述单粒子锁定解锁原理，针对光电信号处理系统中视频信号处理器件（AD9942）设计解锁控制电路。其设计思路是：通过电流取样实时监测AD9942供电回路上电流的增量变化，一旦有超过阈值且维持在异常水平的电流增量出现，即认为被监测器件发生了锁定失效，解锁控制电路立刻快速断电，并在要求的时间间隔内快速恢复通电。

3 技术要求

解锁控制电路以电源供电的电流变化为检测对象，当AD9942电路正常工作时，其供电线路上呈现的是恒压恒流状态（瞬时干扰或纹波不计）；而出现锁定时，供电线路上的电流会突然成倍增加，并维持在一个稳定的数值上。由此可见，解锁控制电路需要检测的是一个具有较大阶跃（增量）变化的直流信号，因此只要合理设置阈值，正确判断出倍增的电流增量，就能准确实现解锁控制保护。

3.1 功能要求

1）在锁定现象出现时能有效关断电源，并在指定的关断延续时间之后接通电源；

2）对外提供自动关断—接通（解锁）控制脉冲，用于其他电源开关的同步控制；

3）对外提供解锁控制电路使能端控制信号，以便外界对该电路的有效性进行控制；

4）在锁定—自动断电后，具备自动通电切换能力；

5）具备手动触发解锁控制电路接通电路的控制模式，以便在锁定断电后能够手动恢复通电。

3.2 解锁控制电路主要技术指标

针对AD9942的电特性，综合考虑锁定判断的误判率和器件的安全性，对解锁控制电路提出如下设计指标：

1）输入电压：3.3 V（与控制电源通路为同一电源）；

2）输出允许压降：≤0.1 V（输出电压≥3.2 V）；

3）关断电流阈值：0.3～3 A 可调；

4）断电延迟响应时间：80ms±20 ms；

5）通—断时间：≤1 ms；

6）电压比较精度：优于0.1 V；

7）断—通时间：≤1 ms；

8）抗瞬时冲击电流：5 A（延续时间0.5ms），参见图2；

9）关断延续时间：≤100 ms，参见图3。

图2 瞬时冲击电流延续时间Fig.2 Diagram of transient shock current duration

图3 通断控制信号响应时间Fig.3 Response timeof on-off control signal

为在上电解锁时实现对信号处理电路的初始化配置，需要采用解锁关断控制脉冲控制继电器，对其他多组电源实施同步断电—加电控制，继电器的选用要求为：电磁继电器，控制线圈的供电电压为5～12 V，控制通路为四刀双掷、额定电流≥1 A（每路）。

4 技术指标分析

4.1 输入电压

提供给解锁控制电路工作的电压是3.3 V，这就限定了解锁控制电路中所有有源器件必须能够在3.3 V 电压下正常工作。

4.2 输出允许压降

以3 A 最大通过电流计，由欧姆定律算得电源供电回路中0.1 V 压降对应的电阻为0.033Ω。而解锁控制电路供电回路中影响线路电阻的主要为开关元件和电流取样器件，只要这两者的电阻总和＜0.03Ω 就能满足电路输出压降≤0.1 V 的要求。

4.3 关断电流阈值

比较器的供电电压为3.3 V，其实际有效输入电压不会＞3 V，考虑到锁定电压约为正常额定电压的2倍，则0.3～3 A 的关断电流所对应的电压最大也只能达到1.5 V，留出0.5 V 的容差，则参比阈值电压可设为2 V，再留出0.5 V 的容差，最终将关断电流所对应的参比电压阈值设定为2.5 V 或以上即可。

4.4 断电延迟响应时间

断电延迟响应时间是指从锁定现象出现开始到解锁控制电路断开电源供电回路时所延迟的时间。提出该指标的用意在于避免将电源启动时的浪涌电流误认为锁定电流。一般来讲，浪涌电流的大小取决于容性/阻性负载的大小。对于约100ms的断电延迟响应时间可以通过RC延时电路实现，其中电阻选为200 kΩ，电容选为1μF即可。

4.5 通—断、断—通时间

影响该指标的因素为开关器件压摆率，就0～3 V 的电压变化幅度而言，选择CMOS器件作为电子开关时，通—断、断—通时间在微秒（μs）或纳秒（ns）量级，可轻松满足解锁控制电路通—断、断—通时间≤1ms的要求。

4.6 关断延续时间

关断延续时间要求≤100 ms，是较为宽泛的，可以通过振荡器的脉冲计数实现，本设计为了适应各种不同关断延续时间的需要，拟采用脉冲计数电路来满足该要求。

4.7 电压比较精度（灵敏度）

电压比较精度取决于所选用的比较器件的精度，选用输入失调电压低（一般＜20mV）的高精度四运放器件可满足优于0.1 V 的使用要求，如LM系列器件。

4.8 抗瞬时冲击电流

选用CMOS管的额定电流＞5 A 即可；考虑到尽可能缩小器件体积，以利于器件在现有电路中的安装，功率有足够的降额即可，不宜过大。

5 解锁控制电路设计

5.1 电路构成

根据AD9942器件在发生单粒子锁定时会在其供电通路上出现电流成倍增加且维持不变的特性[3]，在为AD9942 供电的电源通路上设置一个开关，其通/断状态受控于电流检测结果：一旦电流检测单元检测到供电回路中工作电流意外增大，通过差分放大器放大后，在电压比较器中与设定的阈值进行比较，若超过阈值则电压比较器翻转，触发单稳态脉冲发生器输出控制脉冲令电源关断，解除AD9942器件的锁定状态，关断时间的长短由脉冲宽度决定；随后，开关重新恢复闭合状态，供电电路恢复接通，AD9942器件恢复正常状态。解锁控制电路的基本构成见图4，包括开关、电流增量取样、差分放大、电压比较、脉冲计数控制5部分。

图4 解锁控制电路构成Fig.4 Block diagram of control circuit for latch-up prevention

5.2 电路设计

为了适应AD9942器件3.3 V 供电的特性，本解锁控制电路也使用3.3 V 供电，为此，需要选择适用于单电源、3.3 V 低压供电、且满足空间应用要求的差分放大器、比较器、脉冲计数器和导通电阻很小的开关元器件。5.2.1元器件选择

1）开关器件

可以当作大功率可控式开关用的器件包括触点式的继电器和非触点式的三极管、达林顿管、MOS管等。其中，继电器虽然具有导通电阻小的突出优点，但其通—断响应时间较长、体积较大、可靠性较低，而晶体管和达林顿管的导通电阻、导通压降以及导通功耗等都较大，故均不适合本设计应用。CMOS管类器件能够同时满足通过大电流、开关响应快、导通电阻小以及小型化等要求，因此，开关元件可以考虑选用CMOS管；但CMOS管对静电敏感，应用中需要采取静电防护措施。依据总要求，确定CMOS开关器件应满足指标为：源漏极耐压＞7 V；额定电流＞7 A；导通电阻＜10mΩ；通—断、断—通时间≤1 ms。

2）取样电阻

电流取样通常可通过互感器或电阻，由于航天电子产品通常要求采用防静电、抗锁定以及其他安防设计等，这些设计的措施之一就是在主要的电源供电通路上加装限流电阻，而这个限流电阻正好可以用来进行电流采样，实现一件多用，因此本电路采用电阻进行电流取样。在综合考虑限流、压降等要求的情况下，可以选用阻值在10～20mΩ之间、额定功率为1W 的线绕电阻。因为额定电流为3 A时，20mΩ 取样电阻的最大功耗为0.18W，低于额定使用功率。

3）差分放大器

解锁控制电路的电流取样是通过测量电阻两端电压差而解算获取的，该电压差的特点是信号幅值很小（电流和电阻的乘积）、直流，为了提高分辨率和控制精度，需要通过差分放大器进行约100倍（3 A）～1000倍（0.3 A）的放大才能使用。

差分放大器与通用放大器的主要区别在于其对共模信号具有很好的抑制效果，而这种抑制效果一是通过构建与放大器相等的输入阻抗，二是通过平衡放大器正、负2个输入端的输入/反馈电阻网络来实现的。差分放大器可以通过很多方式获得，最简单的方式是购买成品器件，其突出优点是共模抑制特性好（共模抑制比可达80 dB以上），且噪声低、精度高、应用方便，适用于紧密测量、微小信号的放大。亦可用普通放大器通过配接输入/反馈电阻网络来构建差分放大器，其不足是共模抑制特性不是太好（一般只能做到60 dB），优点是器件可选择的范围宽，能够充分保证航天产品器件选择的质量等级要求。

从本例电路设计的实际需求来看，所设定的阈值参考电压2.0 V 和锁定电流所对应电压2.5 V（低限）之间最小有0.5 V 的容差，因此即便使用共模抑制比为60 dB的差分放大器，其引起的偏差最大仅为（以最大共模电压3 V 计）0.003 V，经过100倍放大后达到0.3 V，在0.5 V 设计容差范围之内。特别需要指出的是，这个偏差的极性是恒定的，即如果是正偏差就永远是正偏差，反之亦然。偏差不会随环境变化而发生极性变化，因此可以确定其容差的调整一定是单边的，那么只要容差的调整有足够的裕度，选用普通放大器搭建的差分放大器就能够避免解锁控制的误操作，做到解锁控制准确、有效。

基于上述分析，本列电路采用集成四运放器件，其中3个运放单元构成仪表放大器，以满足100～1000倍增益的可调。放大器选用时需要关注的器件特性包括：单电源供电电压3 V；共模抑制比≥60 dB；零偏＜1mV；最大增益1000倍。为了尽可能提高共模抑制比，电路中的匹配电阻阻值一致性偏差应控制在0.05%以内。

4）脉冲计数器

由于解锁控制电路对响应速度要求并不高，大多数脉冲计数器可以满足3.3 V 供电并实现断电控制脉冲的生成。

5.2.2控制电路设计

解锁控制电路原理如图5所示。

图5 解锁控制电路原理Fig.5 Schematic diagram of control circuit for the latch-up prevention

电路中：R1是位于锁定敏感电源回路中的取样电阻；器件U1中的3个运放单元构成仪表放大器，实现对采样信号的差分放大；U1D用作比较器，在比较器的采样信号输入端有由R12和C3、C4构成的RC滤波器，用以过滤上电瞬间或其他电磁干扰产生的脉冲；R9、RW 构成阈值调整电路；U2用来产生断电控制脉冲；Q1作为开关执行器件，实现受控电源线路的通断。

电路中的继电器电路主要是用来实现对负载电路其他电源的同步开关控制，共有8个控制通道，需要用2只四刀双掷的电磁继电器实现，利用板上的开关控制脉冲通过一级三极管的功率驱动，直接驱动电磁继电器线圈，实现2个继电器8个信号输出通道（4只AD9942）的通/断控制。

6 试验验证

6.1 试验验证系统

在CCD视频信号处理器件单粒子效应试验测试系统[3,7-11]基础上，将完成融合设计的解锁控制电路加入该试验测试系统，利用中国原子能科学研究院HI-13串列静电加速器[10]对系统进行重离子辐照，对解锁控制电路的功能进行系统性试验验证。试验验证系统构建如图6所示。

图6 解锁控制电路在线试验验证系统连接示意Fig.6 Block diagram of online experimental system for control circuit for latch-up prevention

单粒子试验选择重离子的原则[3]是：线性能量转移（LET）值能覆盖器件错误阈值区和饱和截面区；重离子在硅材料中的射程≥30μm[3]。对于解锁控制电路系统性验证试验，重离子LET 值的选择只要能够将效应故障可靠引入即可。CCD视频信号处理器件单粒子效应试验结果显示，试验用AD9942器件的单粒子锁定LET 阈值＜10MeV·cm2·mg-1[3]，因此，本验证试验选择与CCD视频信号处理器件单粒子效应试验用同批次AD9942器件及LET 阈值＞10MeV·cm2·mg-1、射程＞30μm 的重离子。

为确保试验验证的充分性，并考虑试验单位资源保障，选取63Cu 和79Br 这2种重离子进行了多次试验，试验参数见表1。试验中对被重离子照射的AD9942器件进行了开帽处理[3]。

表1 重离子试验参数Table1 Parameters of heavyions

试验验证过程中，对如下情况进行连续观测：

1）观测3.3 VA 电源电流增大和系统图像发生异常，对单粒子锁定进行识别判定的情况；

2）观测3.3 VA 电源电流读数能够短暂变为0或接近于0（即系统电源被切断），图像采集系统采图异常的情况；

3）观测3.3 VA 电源电流恢复到正常值，电源自动接通及系统重新配置，图像功能及数据恢复到正常的情况。

试验验证过程中，用数字万用表进行观察和测试电源电流、电压变化情况；用秒表记录电源电流变化时间，从发现电流异常增大（发生单粒子锁定）开始计时，到电流减小，再到电流恢复至正常值时结束；利用图像快视系统观察图像灰度变化情况，并由图像数据中像元DN 值进行量化确认。

6.2 试验验证结果

解锁控制电路系统试验验证结果统计见表2。

AD9942器件发生单粒子锁定时图像异常、解锁后图像恢复情况如图7所示。

图7(a)现象描述：63Cu 重离子试验条件下AD9942的1个通道发生单粒子锁定时，解锁控制电路探测到电流迅速增大，即切断所有通道电源以解除锁定；系统上电后电路参数重新配置，恢复过程中8个通道图像灰度暗明相间变化（暗对应像元DN 值1034～1450，明对应像元DN 值6486～10 922），然后过渡到黑色（对应像元DN 值0，图像中为黑色线条），直到图像完全恢复正常灰度（正常帧图为深灰色，对应像元DN 值5376～5630）。

表2 解锁控制电路系统试验验证结果统计Table 2 Verification results for control circuit for latch-up prevention

图7 锁定时图像异常、解锁后快视图像恢复情况Fig.7 Diagram of abnormal image during SEL and the recovered imagewhen SEL isunlocked

图7(b)现象描述：79Br 重离子试验条件下AD9942的1 个通道发生单粒子锁定时，解锁控制电路探测到电流迅速增大，即切断所有通道电源以解除锁定；系统上电后电路参数重新配置，恢复过程中8个通道图像灰度先变暗（灰黑色，对应像元DN 值313～511）再变亮（灰白色，对应像元DN值10 922），直到图像完全恢复正常灰度（正常帧图为深灰色，对应像元DN值5376～5630）。

虽然2种重离子试验中图像恢复的表现形式不同，但都观测到了电源电流、电压、图像及其之间的时间关联及变化，且经解锁控制电路解决了因单粒子锁定造成的系统图像异常问题，也符合解锁控制电路对系统判别锁定—断电解锁—上电恢复的工作模式设计要求。

7 结束语

本文从光电信号处理系统单粒子锁定现象、发生锁定的器件本身特性以及光电信号处理系统接口特性及功能入手，确定了针对视频信号处理器件（AD9942）的单粒子锁定防护思路，对解锁控制电路功能和指标进行了具体分析和设计。试验验证表明，解锁控制电路实现了与光电信号处理系统电路的融合嵌入式设计，能够有效识别单粒子锁定事件，在器件发生锁定时能够通过切断供电和再加电实现解锁、完成电路的重新配置，恢复光电信号处理系统图像处理功能，系统功能恢复时间＜5 s。

解锁控制电路的系统化、工程化体现了抗辐射加固技术与相关系统融合设计的实用性，对提高光电信号处理系统的抗单粒子锁定能力、保证空间CCD光学遥感器在轨可靠工作具有指导和应用价值。

本文所述解锁控制电路在实现系统工程化时，适当考虑了元器件高质量等级的可获得性，但主要针对电路功能及指标实现进行元器件选用，所选用的运放AD627、脉冲计数器CD4060及CMOS开关是双极工艺和CMOS工艺器件，器件自身对单粒子效应相对敏感。空间实际应用时，应确认解锁控制电路所选用元器件自身的抗单粒子效应能力及其可靠性指标是否满足任务要求，避免应用风险。

此外，解锁控制电路关断延续时间≤100ms的设计指标是依据小量试样抽测数据获得的，空间实际应用时，应对器件的解锁时间进行充分试验和确认，并通过调整电路中的脉冲计数时间来满足不同系统应用需求，以确保系统断电解锁—上电恢复的可靠性。