摘要

過去，德州儀器 (TI) 僅提供采用較大陶瓷封裝的航天級(jí)邏輯器件，其中許多器件是在 20 世紀(jì) 80 年代、90 年代和 21 世紀(jì)初發(fā)布的。在這些舊器件中，許多器件的電源電壓范圍也受限，客戶只能選擇 3.3V 或 5.0V Vcc。LEO（近地軌道）衛(wèi)星平臺(tái)在航天行業(yè)的新興趨勢(shì)包括：采用增強(qiáng)型航天塑料 (SEP) 封裝取代傳統(tǒng)陶瓷封裝，以及 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）向 1.8V 甚至 1.2V 等更低的電源電壓規(guī)格發(fā)展。為了更好地幫助客戶設(shè)計(jì)下一代航天電子系統(tǒng)，TI 以航天 CMOS (SC) 邏輯器件系列的形式發(fā)布了一組全新的 SEP 邏輯器件。這個(gè)新系列具有現(xiàn)成的 TID（電離輻射總劑量）+ SEE（單粒子閂鎖）輻射報(bào)告、1.2V 至 5.5V 電源電壓支持能力和集成單電源升/降電平轉(zhuǎn)換功能。

引言

隨著許多現(xiàn)代 LEO（近地軌道）衛(wèi)星的尺寸不斷減小，印刷電路板 (PCB) 的尺寸和功耗限制正在迅速成為許多衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的重大設(shè)計(jì)障礙。盡管一些現(xiàn)代 FPGA 的尺寸越來(lái)越小，電壓規(guī)格越來(lái)越低，隨后功效也得到了提高，但這也帶來(lái)了額外的問題。較小的 FPGA 很快會(huì)在 GPIO（通用輸入/輸出）上受到限制，更常見的是，許多周圍外設(shè)在 I/O 電壓上仍然受到限制，從而導(dǎo)致所謂的電壓不匹配。為了克服這些新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，需要高能效且靈活的接口設(shè)計(jì)。

邏輯接口設(shè)計(jì)是衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員歷來(lái)尋求的一種常見接口設(shè)計(jì)類型。無(wú)論是緩沖器、電平轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)器還是移位寄存器，這些器件都提供了一種可靠且具有成本效益的方法來(lái)解決簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題并完成衛(wèi)星設(shè)計(jì)。早在 20 世紀(jì) 70 年代和 80 年代，許多工程師就利用德州儀器 (TI) 可靠的 5V 雙極性航天邏輯器件來(lái)解決各種類型的簡(jiǎn)單系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。雖然這些邏輯器件目前大多數(shù)仍在供貨，但其中許多器件的封裝尺寸太大，或電源電壓規(guī)格與許多新的 FPGA 不兼容。

為了滿足并超越現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)的要求，德州儀器 (TI) 從零開始進(jìn)行了航天 CMOS (SC) 邏輯器件系列 的全新開發(fā)，其中集成了許多新的特性和優(yōu)勢(shì)。

圖 1 采用 14 引腳 CFP (W) 封裝的雙極性航天邏輯與門 (SN54LS08-SP)

新參數(shù)和功能 - TI 航天 CMOS 邏輯器件系列

1. 寬泛的電源電壓規(guī)格

   SC（航天 CMOS）邏輯器件系列旨在對(duì)接許多不同的系統(tǒng)要求和 FPGA I/O 電壓。無(wú)論是以 5V、3.3V 還是 1.2V 電壓運(yùn)行，SC 系列都能夠直接連接各種類型的 FPGA，并使用同一電源運(yùn)行。

   表 1 按電源電壓范圍（建議運(yùn)行條件）列出的系列比較表

   	常見邏輯產(chǎn)品系列
   系列	AC	ACT	HC	LS	LVC	SC（新品?。?/strong>
   電源電壓 - 最小值	2.0V	4.5V	2.0V	4.5V	1.65V	1.2V
   電源電壓 - 最大值	6.0V	5.5V	6.0V	5.5V	3.6V	5.5V

2. 集成單電源升/降電平轉(zhuǎn)換

   在使用 FPGA 和更低的電源電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，許多工程師都會(huì)遇到一個(gè)問題：系統(tǒng)控制器和外設(shè)之間的電壓不匹配。例如，F(xiàn)PGA 在 1.2V 的 Vcc 下運(yùn)行，而外設(shè)在 5V、3.3V 或 1.8V 邏輯電平下運(yùn)行。尤其要注意的是，如果已經(jīng)在這兩個(gè)器件之間使用某種邏輯，則可以利用 SCxT 邏輯器件的集成電平轉(zhuǎn)換特性來(lái)解決該問題：

   圖 2 新型航天邏輯產(chǎn)品的單電源轉(zhuǎn)換特性視圖
3. TI.com 上提供了 TID（電離輻射總劑量）和 SELU（單粒子閂鎖）報(bào)告

   SC 系列在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了抗輻射能力，尤其是在 1.2V 和 1.8V 等較低電源電壓下（30krad、43MeV）。如需查看 SC 系列邏輯器件的輻射數(shù)據(jù)報(bào)告，并查看數(shù)據(jù)表、庫(kù)存和其他設(shè)計(jì)資源，請(qǐng)?jiān)L問 TI.com。

   圖 3 TI.com 上航天 CMOS 邏輯器件系列的“技術(shù)文檔”部分
4. 更小的塑料封裝可以顯著節(jié)省電路板面積并減輕重量

   對(duì)于低成本的 LEO 任務(wù)，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須克服的一個(gè)限制因素是較小的 PCB 尺寸。TI 提供采用更小塑料 TSSOP 封裝的航天 CMOS 邏輯器件系列，而不是試圖修整和形成更大陶瓷封裝的引線。

   圖 4 兩種陶瓷封裝與新型塑料封裝之間的面積比較
5. 可通過引腳配置的新邏輯功能有助于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性

   SN54SC3T97-SEP 和 SN54SC3T98-SEP 是可在單個(gè)芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種邏輯功能的獨(dú)特器件。尤其是在設(shè)計(jì)的早期階段尋找邏輯器件時(shí)，這些器件可以提供快速、具有成本效益且可定制的設(shè)計(jì)來(lái)解決常見的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)問題。

   圖 5 97 功能 (SN54SC3T97-SEP) 的邏輯圖和功能表
6. D 型觸發(fā)器 (SN54SC2T74-SEP) 和其他順序器件的集成三模冗余功能

   為了充分防止 SEU（單粒子翻轉(zhuǎn)）和后續(xù)位翻轉(zhuǎn)，航天 CMOS (SC) 系列中的所有順序器件（如觸發(fā)器和移位寄存器）都具有集成的三模冗余功能。其中，順序器件的每個(gè)輸出都連接到一個(gè) 3 通道多數(shù)表決器型電路，如果有 1 個(gè)通道發(fā)生翻轉(zhuǎn)，另外 2 條冗余路徑可使器件保持功能和信號(hào)完整性而不發(fā)生故障。

   圖 6 三模冗余功能圖（A/B/C 的多數(shù)表決狀態(tài) = Y）

SC 系列邏輯器件在衛(wèi)星有效載荷中的常見應(yīng)用

1. 邏輯與門 (SN54SC4T08-SEP)

   SN54SC4T08-SEP 是一款具有集成式單電源電平轉(zhuǎn)換器的雙輸入、4 通道與門。如今，許多現(xiàn)代衛(wèi)星有效載荷都使用比較器測(cè)量來(lái)自各種不同傳感器的模擬信號(hào)。通常需要多個(gè)邏輯門來(lái)整合這些比較器輸出，并向 MCU 或 FPGA 提供單一數(shù)字設(shè)計(jì)。新增的電平轉(zhuǎn)換功能允許直接連接 FPGA，無(wú)需其他器件。

   圖 7 SN54SC4T08-SEP 比較器整合用例
2. 八通道總線收發(fā)器 (SN54SC245-SEP)

   SN54SC245-SEP 是一款具有三態(tài)輸出的八通道總線收發(fā)器。憑借高達(dá) 25mA 的輸出驅(qū)動(dòng)電流，該器件非常適合在長(zhǎng)電路板布線或傳輸線路上驅(qū)動(dòng)數(shù)字信號(hào)。輸入還可接受高達(dá) 5.5V 的電壓，因而該器件支持單電源降壓轉(zhuǎn)換。

   圖 8 SN54SC245-SEP 驅(qū)動(dòng)器示例用例
3. 雙電源電壓電平轉(zhuǎn)換器 (SN54SLC8T245-SEP)

   SN54SLC8T245-SEP 是一款雙電源電壓電平轉(zhuǎn)換器。該器件可解決在最新電壓節(jié)點(diǎn)（0.7V、0.8V 和 0.9V）和業(yè)界通用電壓節(jié)點(diǎn)（1.8V、2.5V 和 3.3V）上運(yùn)行的器件之間常見的電壓電平不匹配問題。隨著現(xiàn)代 FPGA 向更低的電源電壓發(fā)展，電壓轉(zhuǎn)換型器件在現(xiàn)代航天系統(tǒng)中變得越來(lái)越常用。

   圖 9 SN54SLC8T245-SEP 示例電平轉(zhuǎn)換用例

產(chǎn)品選型表