Микроконтроллеры ARM Cortex-M0 и SRAM-память для экстремальных условий эксплуатации

| Vorago Technologies

Радиация и экстремальные температуры – злейшие враги электронных компонентов. Вместе или по отдельности они могут не только приводить к сбоям в работе электроники, но и даже вывести ее из строя. Это в первую очередь касается интегральных микросхем. Для того чтобы обеспечить надежную работу ИС в условиях сверхвысоких температур и радиации, необходимо решить проблемы ложных переключений и защелкиваний элементарной логической ячейки. Компания VORAGO Technologies разработала технологию HARDSIL, которая позволяет создавать SRAM-память и микроконтроллеры с ядром ARM Cortex-M0, способные работать при температурах до 200°С и наличии мощного воздействия радиации.

Микросхемы компании VORAGO для экстремальных условий эксплуатации

Рис. 1.  Микросхемы компании VORAGO для экстремальных условий эксплуатации

Уменьшение топологических норм и повышение уровня интеграции – общая тенденция в современной электронике. Однако из этого правила есть и исключения, например, это касается сегмента электроники для высокотемпературных приложений и приложений, предназначенных для работы в условиях радиоактивного излучения. В качестве примеров можно привести аппаратуру космических станций и спутников, медицинское рентгенологическое оборудование, промышленные рентгеновские установки, системы мониторинга и датчики для нефтедобывающей отрасли, оборудование для атомных станций, военную электронику, ряд автомобильных систем и т. д.

В приведенных областях очень часто используют ИС, выполненные по очень архаичным топологическим нормам. Это вовсе не связано с тем, что инженерам не хватает знаний для освоения новых микросхем. Дело в том, что чем меньше топологические нормы производства, тем беззащитнее ИС к воздействию радиации. Зато ИС с устаревшими топологическими нормами оказываются более надежными в таких экстремальных условиях. Большинство современных микроконтроллеров и микросхем памяти не пригодны для работы в таких жестких условиях. Однако есть и исключения, например, микроконтроллеры с современным ядром ARM Cortex-M3 и SRAM-память от компании VORAGO. Они способны функционировать при температурах до 200°С и мощном воздействии радиации. Это стало возможным благодаря технологии HARDSIL, которая подразумевает особую структуру логических ячеек.

Чтобы понять, в чем заключаются особенности технологии HARDSIL, рассмотрим «классическую» логическую ячейку и ее уязвимые места. На рис. 2 представлен выходной каскад логической ячейки, выполненной по КМОП-технологии. Он включает в себя два комплементарных полевых транзистора с изолированным затвором. В зависимости от того какой заряд присутствует на затворе, открыт либо P-канальный, либо N-канальный ключ. Если присмотреться внимательно, то такая структура включает и несколько паразитных компонентов: два биполярных транзистора, тиристор, сопротивления каналов и паразитные емкости. Если паразитные сопротивления и емкости только ухудшают характеристики ячейки, то наличие биполярных транзисторов и тиристора может приводить к катастрофическим результатам.

Структура стандартной КМОП-ячейки и ее паразитные компоненты

Рис. 2. Структура стандартной КМОП-ячейки и ее паразитные компоненты

При протекании токов на встроенных сопротивлениях неизбежно появляется падение напряжения. В обычных условиях при низких температурах оно оказывается незначительным и не способно открыть биполярный транзистор. Однако при повышении температуры или при значительных импульсных токах, возникающее напряжение может вызвать включение транзисторов. Также это может произойти при воздействии мощного пучка излучения, которое приводит к ионизации вещества и резкому увеличению свободных носителей.

Открытие одного из паразитных транзисторов - еще половина беды. Дело в том, что пара биполярных транзисторов образует тиристор. ВАХ тиристора имеет сложную форму и характеризуется тем, что переход в проводящее состояние происходит через повышенное напряжение, а поддержание открытого состояния возможно при значительно меньшем напряжении. Это приводит к «защелкиванию» такой структуры и в большинстве случаев выводит ее из строя. Однако существуют решения данной проблемы, одно из них – технология HARDSIL от компании VORAGO.

Суть HARDSIL заключается в том, что в структуре логической ячейки формируется сильнолегированный p+ барьер (рис. 3). В результате значения паразитных сопротивлений оказываются значительно ниже. Это приводит к тому, что для включения паразитных транзисторов и тиристора потребуется гораздо больший импульс тока. По этой причине логическая ячейка оказывается устойчивой к воздействию радиации, а ее рабочая температура значительно выше, чем у стандартной логики.

Структура КМОП-ячейки, выполненной по технологии HARDSIL

Рис. 3. Структура КМОП-ячейки, выполненной по технологии HARDSIL

Есть ли у такого решения потенциальные недостатки? Конечно, есть. Во-первых, повышение уровня легирования может привести к росту потребления и снижению рабочей частоты. Во-вторых, HARDSIL не обеспечивает защиту от заряда и перезаряда затвора при воздействии радиации. Однако компания VORAGO смогла найти решение этих проблем.

В настоящий момент VOARGO выпускает три семейства микроконтроллеров и три семейства SRAM-памяти по технологии HARDSIL (рис. 4).

Семейства SRAM-памяти и микроконтроллеров с ядром ARM Cortex-M0 компании Vorago

Рис. 4. Внешний вид семейств микроконтроллеров и SRAM-памяти компании Vorago 

VA10800 – семейство высокотемпературных 32-битных микроконтроллеров, построенных на ядре ARM® Cortex®-M0. Выпускается в нескольких корпусных исполнениях: пластиковый 128 QFP, керамический 128 QFP, кристалл. Максимальный рабочий диапазон достигает -55…200°C.

VA10820 – семейство радиационно-стойких 32-битных микроконтроллеров, построенных на ядре ARM® Cortex®-M0. Выпускается в керамическом корпусе 128 QFP или в виде кристалла. Максимальный рабочий диапазон достигает 125°C. Устойчивость к радиации более 300 крад.

PA32KAS – семейство радиационно-стойких и высокотемпературных 32-битных микроконтроллеров, построенных на ядре ARM® Cortex®-M0. Выпускается в керамическом корпусе 188 QFP или в виде кристалла. Максимальный рабочий диапазон у различных моделей достигает 200°C, а устойчивость к радиации более 300 крад.

SB036SB – радиационно-стойкая SRAM-память объемом 32 Мбайт с рабочей частотой до 75 МГц и устойчивостью к радиации более 300 крад. Максимальная рабочая температура составляет 125°C. Выпускается в виде кристалла или в 160-выводном керамическом QFP-корпусе.

SMV512K32 – радиационно-стойкая SRAM-память объемом 32 Мбайт с устойчивостью к радиации более 300 крад. Максимальная рабочая температура составляет 125°C. Выпускается в виде кристалла или в 76-выводном керамическом HFG-корпусе.

HS512K16 семейство радиационно-стойких и высокотемпературных микросхем SRAM-памяти. Выпускаются версии в пластиковом корпусе QFP-128 или в виде кристалла. На выбор разработчикам предлагаются два исполнения: с повышенной стойкостью к радиации (более 300 рад) либо с повышенной рабочей температурой до 200°C.

Отличительной чертой продуктов VORAGO является наличие логических блоков контроля целостности битов. Это аппаратные блоки, которые в фоновом режиме проверяют целостность информации с использованием дополнительных битов паритета. Они же в случае необходимости корректируют данные. Это позволяет защититься от указанной выше проблемы перезаряда затворов.

Также в составе микросхем используется особая структура выходов логических блоков. Состояние выхода зависит не от одного бита выходного регистра, как в обычных микросхемах, а от трех. Чтобы произвести переключение состояния, необходимо произвести перезапись всех трех битов. Если же включается только один из них, то это считается ошибкой и устраняется системой коррекции.

Стоит отметить, что высокотемпературное и радиационно-стойкое исполнения не приводят к катастрофическому увеличению потребления или снижению быстродействия. Рабочая частота контроллеров VORAGO достигает 50 МГЦ, а памяти 75 МГц. При этом потребление ядра контроллера не превышает 40 мА (50 МГц) во всем рабочем диапазоне.

Для быстрого начала работы с микроконтроллерами можно воспользоваться отладочными платами. Например, REB1-VA10820 позволяет ознакомиться с возможностями микроконтроллера VA10820-CQ128F0EAA.

Внешний вид отладочной платы REB1-VA10820

Рис. 5. Внешний вид отладочной платы REB1-VA10820

В результате технологических и структурных ноу-хау компания VORAGO смогла создать чрезвычайно надежные микросхемы и память. Их основными областями применения без сомнения станут: космическая электроника, медицинская техника (рентгенология), промышленность (рентгеновский контроль и высокотемпературные производства), нефтегазовая отрасль, военные приборы.

Характеристики микроконтроллера PA32KAS-CQ18803EAA:

  • ядро: ARM® Cortex® -M0;
  • память: 16 Кбайт памяти данных, 16 Кбайт памяти программ;
  • интерфейсы: 2 UART, 3 SPI;
  • порты ввода-вывода: 32;
  • блоки защиты: EDAC, Scrub, TMR;
  • рабочая частота: 50 МГц;
  • рабочий диапазон температур: -55...200°C;
  • корпусное исполнение: керамический 188 QFP;
  • отладочная плата: SEB2.

Характеристики микроконтроллера VA10800-PQ12803EAA:

  • ядро: ARM® Cortex®-M0;
  • память: 32 Кбайт памяти данных, 128 Кбайт памяти программ;
  • интерфейсы: 2 I2C, 2 UART, 3 SPI;
  • порты ввода-вывода: 54;
  • рабочая частота: 50 МГц;
  • рабочий диапазон температур: -55...200°C;
  • корпусные исполнения: керамический, пластиковый 128 QFP;
  • отладочная плата: REB1-VA10800.

Характеристики микроконтроллера VA10820-CQ128F0EAA:

  • ядро: ARM® Cortex® -M0;
  • память: 32 Кбайт памяти данных, 128 Кбайт памяти программ;
  • интерфейсы: 2 I2C, 2 UART, 3 SPI;
  • порты ввода-вывода: 54;
  • блоки защиты: EDAC, Scrub, TMR;
  • рабочая частота: 50 МГц;
  • устойчивость к радиации: >300K rad (Si);
  • рабочий диапазон температур: -55...125°C;
  • корпусное исполнение: керамический 128 QFP;
  • отладочная плата: REB1-VA10820.

О производителе:

VORAGO – компания, занимающаяся разработкой интегральных микросхем, предназначенных для работы в экстремальных условиях при воздействии высоких температур и мощной радиации.

В настоящее время компанией освоено производство высокотемпературных и радиационно-стойких микросхем микроконтроллеров и памяти, выполненных по технологии HARDSIL.

Производитель: Vorago Technologies
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PA32KAS-CQ188F0EAA
Vorago Technologies
Арт.: 2175919 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Радиационно-стойкий и высокотемпературный 32-битный микроконтроллер на ядре ARM Cortex-M0. Корпусное исполнение керамический 188 QFP или в виде кристалла. Максимальный рабочий диапазон у различных моделей достигает 200°C, а устойчивость к радиации более 300 крад.
PA32KAS-CQ188F0EAA
-
Поиск
предложений
VA10800-PQ12803EAA
Vorago Technologies
Арт.: 2175920 ИНФО
Поиск
предложений
Высокотемпературный 32-битный микроконтроллер на ядре ARM Cortex-M0. Корпусное исполнение: 128 QFP, кристалл. Максимальный рабочий диапазон -55…200°C.
VA10800-PQ12803EAA
-
Поиск
предложений
V A10820-CQ128F0EAA
Vorago Technologies
Арт.: 2175922 ИНФО
Поиск
предложений
Радиационно-стойкий 32-битный микроконтроллер на ядре ARM® Cortex®-M0. Корпус 128 QFP керамический или в виде кристалла. Максимальный рабочий диапазон 125°C. Устойчивость к радиации более 300 крад.
V A10820-CQ128F0EAA
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()