SRAM型FPGA的单粒子效应及TMR设计加固

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1、第33卷第2期航天返回与遥感2012年04月SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING49SRAM型FPGA的单粒子效应及TMR设计加固黄伟刘涛王华潘卫军(北京空间机电研究所，北京100076)摘要宇宙空间中存在多种高能粒子．其辐射效应会严重威胁航天器中现场可编程j,-i阵列(FieldProgrammableGateArrav．FPGA)器件工作的可靠性。文章研究了静态随机存储器型(StaticRandomAccessMemory，SRAM)FPGA中的单粒子翻转效应。理论计算表明，采用三模冗余(TripleModuleRedundancv，TMR)设计方法

2、可以有效缓解FPGA中的单粒子翻转问题针对传统TMR设计方法的不足．提出了一种改进的TMR设计架构．并将该架构应用于某星载关键控制电路的设计中文中的研究成果对SRAM型FPGA的空间应用有一定参考作用关键词现场可编程门阵列航天器件可靠性单粒子效应三模冗余中图分类号：V423．4文献标识码：A文章编号：1009—85l8(2O12)02O049—05DOI：10．3969／j．issn．1009—8518．2012．02．008Single-eventEfectsonandTMRRadiati0n—harden0fSRAM-basedFPGAHUANGWeiLIUTaoWANGHua

3、PANWeijun(BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity，Beijing100076，China)AbstractTheradiationeffectsofvarioushigh——energyparticlesinspaceseriouslydecreasethereliabilityoffieldprogrammablegatearrays(FPGA)inspacecraft．Inthispaper，Single—eventupsets(SEUs)occurringinSRAM-basedfieldprogrammablega

4、tearrayarestudied，andtheoreticlycalculationillustratesthatthetriplemoduleredundancy(TMR)methodologycanreleasethedamageresultedbySEU．AnimprovedTMRarchitectureisintroducedbasedonthetraditionalone．ThenthisarchitectureisappliedtoaSEUsensitivecontrolcircuitofacertainsatellite．Thecalculatedresultand

5、theimprovedTMRarchitecturemayhavecertainreferencevalueforthespaceapplicationsoftheSRAM—basedFPGA．Keywordsfieldprogrammablegatearray；relibilityofspacedevices；single—eventupsets；triplemoduleredundancy1引言目前,FPGA被大量的应用于星载电子设备的数据处理、探测器中流程控制以及时序发生。随着系统复杂度的增加，100万门级以上规模的FPGA已经广泛的应用于空间中『Il。然而随着器件集成度的提

6、高和工作电压的降低，空间高能粒子对电子系统可靠性的威胁越来越大。防辐射加固是FPGA器件空间应用必须考虑收稿日期：2011-05—0350航天返回与遥感2012年第33卷的问题之一。FPGA器件根据工艺和配置方式不同分为反熔丝型和SRAM型两种基于反熔丝的FPGA一次烧写成型，硬件固化，抗辐射的能力相对较强；基于电可擦除可编程只读存储器(ElectricallyErasableProgrammableRead—On1vMemory，EEPROM)配置的SRAM型FPGA更容易受到空间辐射的影响翻。但是，基于反熔丝的FPGA器件价格贵，不能重复烧写．其逻辑门数也比SRAM型FPGA少

7、。SRAM型FPGA因其具有丰富的资源以及灵活可配置的优点．已被广泛的应用于各种宇航电子设备中，因此有必要研究SRAM型FPGA受辐射影响的机理以及提高其防辐射性能的方法本文介绍了SRAM型FPGA受单粒子效应影响的机理．指明传统的TMR设计架构存在的不足，在此基础上提出了一种改进的TMR设计架构．并将该架构应用于某星载设备关键控制电路的TMR设计中。2SRAM型FPGA中的单粒子效应基于SRAM的FPGA的电路功能是依靠存储在SRAM型配置寄存器中的bits位实现的