空间中心科研人员在空间充放电致卫星用电路故障的量化建模研究上取得进展

国内外大量的空间飞行实践表明，空间带电粒子诱发的充放电效应（SESD，Spacecraft charging induced Electro-Static Discharge）是空间天气效应导致航天器故障的主要方式之一，且故障现象主要表现为星用电子器件和电路系统出现数据或逻辑状态跳变、工作模式非受控切换、执行机构操作异常等可恢复性“软错误”。由于器件电路SESD故障宏观现象与单粒子效应（SEE，Single Event Effects）故障非常相似，且缺少SESD影响模型和甄别方法，航天工程应用将大量的此类“软错误”故障简单地归为单粒子所致。这种现状对数量较多既遭受单粒子又遭受充放电作用的中高轨航天器在轨安全造成重大隐患，如何及时正确诊断和应对空间充放电效应故障，全面准确评估航天器面临的“似同非同”的空间环境风险，至今仍是困惑国内外航天界的重大难题。

图1 空间充放电致星用器件电路故障的原理

中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室陈睿副研究员、韩建伟研究员团队以典型星用SRAM电路为研究示例，通过器件和电路相结合的仿真方法，研究阐明了SESD导致星用SRAM电路故障的特征规律与微观机制，建立了空间充放电致SRAM电路软错误的量化模型，并利用地面充放电效应模拟装置试验验证了模型的有效性。研究基于阻尼衰减正弦振荡脉冲模型建立了SESD干扰源；参考器件电路拓扑结构，建立了SESD诱发SRAM电路软错误的宏观模型。

宏观模型f由两部分组成，g函数为芯片管脚SESD电压与耦合进内核晶体管源极电压的对应关系，由放电信号和外围电路信号抑制比（PSRR）决定；u函数为芯片参数与内核SESD阈值电压的对应关系，由芯片工艺参数与电路结构决定。

图2. SESD诱发SRAM存储数据错误量化模型

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研究发展计划的资助，相关成果发表于IEEE Transactions on Device and Materials Reliability上。

论文信息：R.-J. Yuan, R. Chen, J.-W. Han, Y.-N. Liang, Z.-Y. Wang, H.-L. Yu, Mechanism and Quantitative Modeling of the SRAM Soft Error Induced by Space Electrostatic Discharge, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, doi: 10.1109/TDMR.2024.3510716.

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10777059

（供稿：天气室）