电荷测量芯片的单粒子闩锁防护装置及闩锁解除方法与流程

本发明是关于一种电荷测量芯片的单粒子闩锁防护装置及闩锁解除方法，涉及空间电子学技术领域。

背景技术：

随着超新星爆发、x射线脉冲星、γ射线暴等一系列高能天体现象的相继发现，使得对宇宙中高能现象和高能过程的研究日益活跃起来，同时也带动了空间探测技术的发展。高能空间探测技术主要是依赖探测系统来获取x/γ射线、带电粒子的能量、方向等参数。一般高能空间探测系统由探测器和读出电子学系统两部分组成。来自空间中的射线通过与探测器相互作用产生电信号或者光信号，探测器再将它们转化为电流信号或者电压信号进行输出。读出电子学系统的主要任务是将探测器输出的电流或者电压信号进行采集、测量、分析和处理，因此空间探测技术中电荷测量的可靠性是至关重要的。

随着空间测量能量上限的日益提高，探测器的规模越来越大，致使探测器的读出通道数目越来越多，功耗开销越来越庞大。受限于卫星功耗资源及硬件的限制，要求读出电子学系统具有紧凑型、低功耗、低噪声及抗辐照等特性。随着半导体探测技术的日趋成熟，高集成度的电荷测量专用集成电路(asic,applicationspecificintegratedcircuit)芯片已被广泛应用于粒子物理与核物理实验的地面谱仪系统中。在空间探测领域中，这一技术也逐渐成为发展趋势，例如ams-02中的芯片va64_hdr芯片及fermi-glast中的gafe芯片等。这些asic芯片的利用，极大简化了读出电子学的设计，减少了星上功耗开销和硬件支出。

然后，空间环境中充斥着大量的高能粒子，例如质子、电子、α粒子、γ粒子和重离子等。这些高能粒子引起的辐射效应，是空间电子学设备故障的重要诱因之一。尤其是单粒子闩锁，严重影响着电子器件的可靠性。单粒子闩锁(sel)是指高能粒子入射器件引起的闩锁效应。cmos器件的sel可能会对空间电子学设备造成三方面的危害：一是发生sel器件烧毁，造成电路异常，二是该器件所使用的电源可能因为瞬间过载而损坏，三是电源模块被破坏后，使用相同电源模块的其他电子设备的工作将可能受到影响。由于sel破坏性强，空间电子学设备一般要求采用闩锁不敏感器件，并且采取闩锁防护措施。

元器件和原材料级的抗辐射水平是抗辐射加固设计的基础。针对各种辐射损伤机理，在元器件设计阶段通过半导体材料选取、工艺设计、电路结构和版图设计等措施消除导致损伤的各类寄生参数，制造出具有抗辐射性能的半导体器件，例如外延层(epi)工艺可以抑制了cmos器件的寄生晶闸管效应，从而提高了器件的抗sel水平。在既有元器件选型上，优先选用明确抗辐射性能指标的高等级器件以降低星载电子学设备的抗辐射设计难度。但是完全采用高等级器件在空间探测系统中常不具操作性，一些电荷测量专用芯片仅限于科学实验专用，并没有航天级器件、或者宇航级器件性能往往落后于同期的商用器件2～3代、价格昂贵、可选型号有限、以及供货周期长，还可能存在着国外禁运等障碍。采用等级较低但是性能可靠的商用器件，并开展辐射评估实验，以及对单粒子闩锁防护措施进行验证，是空间电子学的发展趋势之一。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够抑制星载电子学设备在发生单粒子闩锁时的电流增长过大，同时能够实现对发生单粒子闩锁现象的电路自动解除，快速恢复设备工作任务的电荷测量芯片的单粒子闩锁防护装置及闩锁解除方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本实施例提供一种电荷测量asic芯片的单粒子闩锁防护装置，该装置包括：

单粒子闩锁解除装置，用于自动解除单粒子闩锁；

单粒子闩锁限流装置，用于抑制过大的闩锁电流。

进一步地，所述单粒子闩锁解除装置包括：

供电单元，采用ldo供电芯片为电荷测量asic芯片提供供电电源；

电流采样电路，用于对供电单元的电流大小进行采样；

板载控制器，用于控制供电电源的开关及控制电流采样电路的工作，并接收电流采样电路的数据进行处理。

进一步地，所述电流采样电路包括电流采样探头、运算放大器和模数转换器件；被采样电源在所述电流采样探头两端形成不同的电压值，所述运算放大器将所述电流采样探头两端的电压差值进行放大处理，所述模数转换器件将所述运算放大器放大后的电压差值进行模数转化后发送到所述板载控制器。

进一步地，所述单粒子闩锁限流装置包括两个电阻，所述两个电阻并联构成限流电阻，所述限流电阻的一端连接ldo供电芯片的输出端vcc，所述限流电阻的另一端连接到电荷测量asic芯片的供电端vcc_1。

第二方面，本实施例还提供一种电荷测量asic芯片的单粒子闩锁自动解除方法，包括步骤为：

s1：设置包括有供电单元、电流采样电路、电荷测量asic芯片和板载控制器的单粒子闩锁解除装置；

s2：电流采样电路对供电单元的供电回路进行电流采样，并将采样的电流值发送板载控制器内，与预设电流阈值进行比较，如果电流大于阈值，则认为电荷测量asic芯片发生闩锁；

s3：板载控制器输出低电平控制信号到电荷测量asic芯片的控制信号端，防止后续断电期间存在潜通通路，间隔20ns后，间隔时间以此为例，不限于此，板载控制器输出控制电源使能信号对供电单元中的ldo进行关闭，断电期间，板载控制器设置断电状态寄存器，同时启动断电计时器计时；当计时时间达到预设时间后，板载控制器输出有效电平控制信号到供电电源，恢复对电荷测量asic芯片的供电，单粒子闩锁自动解除；间隔设定时间，板载控制器输出有效的控制信号到电荷测量asic芯片的控制信号端，同时恢复断电状态寄存器以及复位计时寄存器，间隔设定时间后恢复对电荷测量asic芯片的状态配置；

s4：进入步骤s2进行采样电流与阈值比较。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下技术效果：本发明可以抑制星载电子学设备在发生单粒子闩锁时的电流增长过大，同时可实现对发生单粒子闩锁现象的电路自动解除，快速恢复设备的工作任务，并不影响电路中其余部分的正常工作，最大限度的增加了工作效率和保障了星载电子学设备安全性。

附图说明

图1是本发明实施例1的单粒子闩锁解除装置原理示意图；

图2是本发明实施例1的电流采样电路原理示意图；

图3是本发明实施例1的单粒子闩锁限流装置原理示意图；

图4是本发明实施例2的单粒子闩锁解除方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电荷测量asic芯片，用于完成电荷测量及数字化功能，例如该asic芯片中没有模数转换功能需外加adc进行数字化处理。

实施例1：

本实施例提供的一种电荷测量asic芯片的单粒子闩锁防护装置，该装置包括：

单粒子闩锁解除装置，用于自动解除单粒子闩锁；

单粒子闩锁限流装置，用于抑制过大的闩锁电流。

具体地，如图1所示，单粒子闩锁解除装置，包括：

供电单元，使用独立ldo(lowdropoutregulator，低压差线性稳压器)供电芯片为电荷测量asic芯片及相关电路提供供电电源，使其不影响板载其它电路正常工作。

电流采样电路，用于对供电单元的电流大小进行采样，其中，电流采样电路包括电流采样探头、运算放大器op和模数转换器件adc，被采样电源通过在电流采样探头两端形成不同的电压值，将两端的电压送入到运算放大器op的两端得到电压差值并进行放大处理，放大后的电压幅值进入数模转换器件adc实现数字化处理，最终发送到板载控制器中完成数据的读出和保存。具体地，如图2所示，电流采样探头可以采用5个(不限于5个)电阻r1、r2、r3、r4、r5并联(本实施例中上述电阻取值如1ω，以此为例，可以根据需要确定)，取样后由运算放大器op放大送入adc数字化后发送到板载控制器处理。

板载控制器，可以采用fpga，用于控制供电电源的开关、控制电流采样电路的工作及读出数据和控制电荷测量asic芯片工作以及数模转换数据的读出。其中，fpga监测采样电流值大于预设阈值，输出低电平控制信号到电荷测量asic芯片的控制信号端，防止后续断电期间存在潜通通路，间隔20ns后，间隔时间以此为例，不限于此，fpga输出控制电源使能信号对供电单元中的ldo进行关闭，断电期间，fpga设置断电状态寄存器，同时启动断电计时器计时；当计时时间达到预设时间后，fpga输出有效电平控制信号到供电电源，恢复对电荷测量asic芯片的供电，单粒子闩锁自动解除，间隔设定时间，fpga输出有效的控制信号到电荷测量asic芯片的控制信号端，同时恢复断电状态寄存器以及复位计时寄存器，间隔设定时间后恢复对电荷测量asic芯片的状态配置。

具体地，如图3所示，电荷测量asic芯片是高灵敏模拟芯片，模拟电源不能串接限流电阻，否则会影响asic芯片性能，数字电源工作电流较小，可以串接限流电阻实现抑制闩锁电流的作用且不影响器件性能。本实施例提供的单粒子闩锁限流装置，包括两个电阻r6、r7，两个电阻r6、r7并联构成限流电阻，限流电阻的一端连接ldo供电芯片的输出电压vcc，限流电阻的另一端连接到电荷测量asic芯片的供电管脚vcc_1，本实施例中两个电阻r6、r7的阻值选择为10欧姆，以此为例，不限于此，限流电阻通过抑制过大的闩锁电流，对器件起到保护作用，有效保证空间电子设备的高可靠性要求。

实施例2：

如图4所示，本实施例提供的电荷测量asic芯片的单粒子闩锁自动解除方法，包括步骤：

s1：电流采样电路对供电单元的供电回路进行电流采样，并将采样的电流值送入到fpga内，与预设的电流阈值进行比较，如果采集到的电流大于设定阈值，则认为电荷测量芯片发生闩锁；

s2：fpga输出低电平到电荷测量asic芯片的控制信号端，防止断电期间存在潜通通路，间隔20ns后，间隔时间以此为例，不限于此；fpga输出控制信号到供电单元，控制电源使能信号对电荷测量相关电路供电单元中的ldo供电芯片进行关闭，断电期间，fpga设置断电状态寄存器，同时启动断电计时器计时；当计时时间达到预设时间后，fpga输出有效电平控制信号到电荷测量电路相关供电电源，恢复对电荷测量asic芯片的供电，单粒子闩锁自动解除，间隔20ns后，间隔时间以此为例，不限于此，fpga输出有效控制电平到电荷测量asic芯片的控制信号端，同时恢复断电状态寄存器以及复位计时寄存器，间隔设定时间后恢复对电荷测量asic芯片的状态配置；

s3：进入s1重复进行采样电流与阈值的比较。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后，依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。