光電耦合器件在低地球軌道航天器中的運(yùn)用評(píng)估

王 蕓，石志成，趙筱琳，楊 榕

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

光電耦合器件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)光耦）是一種通過(guò)電—光—電轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離和傳輸?shù)某Ｓ迷骷?。器件?nèi)部集成了LED 將接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后通過(guò)光電耦合部分將其耦合至光電二極管或光電三極管收集，在多數(shù)情況下，通過(guò)內(nèi)部集成的放大級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的進(jìn)一步放大輸出[1]。常見(jiàn)光耦分為非線(xiàn)性光耦和線(xiàn)性光耦，本文討論非線(xiàn)性光耦特性。由于采用了以發(fā)光器件的“光”為媒介的電平信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的電氣絕緣，因此光耦具備隔離效果好、噪聲低、體積小等特點(diǎn)，在需要實(shí)現(xiàn)電平信號(hào)高穩(wěn)定隔離和傳輸?shù)膱?chǎng)合中運(yùn)用廣泛，近年來(lái)也較常用于航天器中。

然而研究發(fā)現(xiàn)，光耦類(lèi)器件是對(duì)空間環(huán)境最為敏感的電子器件之一?？臻g環(huán)境對(duì)其性能的影響覆蓋器件內(nèi)部的LED 部分、光電耦合部分以及集成放大電路部分，可能導(dǎo)致器件瞬態(tài)失效和緩慢性能衰退[1-5]。其中，瞬態(tài)失效主要源于單粒子瞬態(tài)效應(yīng)（SET）造成的器件瞬時(shí)輸出異常，可通過(guò)后級(jí)濾波等手段得到很大程度的抑制，在此不進(jìn)行詳述。航天器在軌工作期間可維護(hù)性受限，因而必須根據(jù)應(yīng)用于航天器的光耦的自身特點(diǎn)及其所處的空間環(huán) 境對(duì)其性能緩慢衰退的形式及程度進(jìn)行充分的分析評(píng)估。

本文擬根據(jù)航天器可靠性要求進(jìn)行光耦的運(yùn)用評(píng)估研究：首先，量化分析不同軌道空間輻照情況，比較引發(fā)空間電離效應(yīng)和非電離效應(yīng)的空間環(huán)境粒子注量水平；之后對(duì)光耦內(nèi)部各部分受輻照影響造成性能緩慢衰退的情況分別進(jìn)行分析，比較不同部分和不同工藝的輻照敏感度；最后以3 種典型光耦為例開(kāi)展地面輻照試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)其在低地球軌道遙感類(lèi)載荷產(chǎn)品中的驗(yàn)證情況進(jìn)行總結(jié)。分析、試驗(yàn)及驗(yàn)證結(jié)果可作為低地球軌道航天器中光耦的設(shè)計(jì)和選用的參考。

1 空間環(huán)境粒子注量量化分析

航天器運(yùn)行的軌道空間環(huán)境除含有少量低能粒子的等離子體環(huán)境外，還會(huì)經(jīng)受地球內(nèi)輻射帶的質(zhì)子、電子和少量的重離子輻射，以及地球外輻射帶的電子輻射。此外，在太陽(yáng)活動(dòng)高年，太陽(yáng)宇宙射線(xiàn)中包含的大量高能質(zhì)子也可能對(duì)航天器產(chǎn)生影響?？臻g帶電粒子入射到半導(dǎo)體材料中，會(huì)引起電離效應(yīng)和非電離效應(yīng)，對(duì)半導(dǎo)體器件造成損傷，影響航天器的功能和性能。

電離總劑量效應(yīng)為輻射粒子的電離作用產(chǎn)生 的一種累積效應(yīng)，常用比授予能來(lái)衡量，單位為rad(Si)，即在1 kg 硅材料中沉積0.01 J 的能量[6]。電離總劑量效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的閾值電壓、靜態(tài)功耗、時(shí)間參數(shù)等屬性發(fā)生變化。非電離效應(yīng)是指因空間高能粒子或輻射造成的次級(jí)粒子通過(guò)碰撞傳遞給半導(dǎo)體內(nèi)部原子核大量的動(dòng)能，造成原子核被撞擊移位，而形成半導(dǎo)體晶格缺陷，因此又稱(chēng)位移損傷效應(yīng)。晶格缺陷會(huì)造成光電類(lèi)器件半導(dǎo)體內(nèi)部少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度變化，從而影響光電流傳輸效率。位移損傷常用非電離能損（NIEL）來(lái)衡量，單位為MeV·cm2/g。

空間環(huán)境粒子注量的量化分析需根據(jù)航天器軌道高度和壽命周期內(nèi)太陽(yáng)活動(dòng)情況等數(shù)據(jù)，通過(guò)粒子能譜、粒子能通量等計(jì)算得出。將電子和質(zhì)子注量水平作為評(píng)估電離輻照強(qiáng)度的因素，將質(zhì)子注量作為評(píng)價(jià)位移效應(yīng)的指標(biāo)。運(yùn)用AE8MIN、AP8MIN和JPL1991 太陽(yáng)耀斑模型，考慮3 mm（120 mil）等效鋁厚度屏蔽，獲得低地球軌道（500 km/28°）和地球同步軌道（35 780 km/0°）電離總劑量和位移損傷等效注量結(jié)果如表1所示[7-8]，可見(jiàn)，可引起空間電離總劑量效應(yīng)的年平均輻射粒子注量，地球同步靜止軌道為低地球軌道的40 余倍，而引起位移損傷的粒子注量差異僅2 倍。

表1 低地球軌道和地球同步靜止軌道的輻射注量 Table1 Radiation dose of LEO and GEO

因此，那些軌道穿過(guò)輻射帶或軌道靠近輻射帶邊緣的航天器所受輻射環(huán)境惡劣，需要具備更強(qiáng)的抗輻射能力；而位于2000 km 以下的低地球軌道的航天器所處輻射環(huán)境相對(duì)平穩(wěn)。

2 光耦內(nèi)部各部分輻射敏感度分析

光電耦合器件是一種混合集成器件，其內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[1]。

圖1 典型光電耦合器件示意圖 Fig.1 Schematic diagram of a typical optocoupler

空間輻射對(duì)光耦的影響主要體現(xiàn)在：1）光耦內(nèi)部LED 衰減導(dǎo)致發(fā)光量降低；2）光耦內(nèi)部光電二極管或光電三極管的光電探測(cè)部分少數(shù)載流子壽命縮短，導(dǎo)致光電子收集效率降低；3）光耦內(nèi)部放大部分增益衰減導(dǎo)致放大級(jí)效率降低。由于光耦內(nèi)部各部分的特性差異較大，加之不同廠家的設(shè)計(jì)、工藝、材料不同，所以評(píng)價(jià)光耦內(nèi)部輻照敏感度時(shí)，應(yīng)充分考慮光耦類(lèi)型、使用電路（器件偏置條件）以及輻射環(huán)境等因素，結(jié)合工藝及結(jié)構(gòu)開(kāi)展分析。

2.1 光耦電流傳輸效率量化分析

電流傳輸效率（CTR）用來(lái)量化表征光耦將LED 輸入電流轉(zhuǎn)換為光電探測(cè)部件的光電流的轉(zhuǎn)換效率，定義為光電探測(cè)部分的輸出電流Ⅰc與LED 的輸入電流ⅠF的比值。CTR 變化能夠反映光耦內(nèi)部LED 和光電探測(cè)兩個(gè)部分受輻射影響后的共同衰減程度。

CTR 大小與工藝有關(guān)，一般為0.05%到0.2%，如700 nm GaAsP 工藝，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率為0.1%。實(shí)驗(yàn)表明，采用880 nm AlGaAs Amphoterically 摻雜工藝的光耦較其他工藝的CTR 更高，能到0.3%左右[2]。理論上，CTR 越大，光耦內(nèi)部產(chǎn)生同樣大小光電流需要的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流越小。

光耦內(nèi)部LED 因輻射衰減，光子轉(zhuǎn)換效率降低；另，輻射影響光電探測(cè)部件的探測(cè)效率，使光電流減小。這兩個(gè)因素都可導(dǎo)致CTR 降低。但討論CTR 降低與器件失效之間的關(guān)系，還需要考慮使光耦內(nèi)部放大部分產(chǎn)生開(kāi)/斷電平的電流容差。若光電探測(cè)部分能夠?yàn)楣怦顑?nèi)部放大部分提供比其導(dǎo)通所需大得多的電流，則CTR 的小幅降低可能不會(huì)影響光耦器件的整體性能。

2.2 光耦內(nèi)部LED 輻射敏感度分析

如因LED 的電—光轉(zhuǎn)換效率降低影響，使內(nèi)部光電流小于光電探測(cè)部件開(kāi)啟門(mén)限，則會(huì)導(dǎo)致器件失效[3]。

光耦內(nèi)部集成的LED 器件幾乎不受空間電離總劑量效應(yīng)影響，但位移損傷效應(yīng)對(duì)其影響卻非常顯著。造成LED 輸出衰減的原理為：由于入射粒子引起晶格缺陷，形成非輻射復(fù)合中心，與生成光子的輻射復(fù)合過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)半導(dǎo)體內(nèi)載流子，導(dǎo)致少數(shù)載流子的壽命縮短，電—光轉(zhuǎn)換率降低。LED 發(fā)光功率與輻照通量之間的關(guān)系[3]為

式中：Ⅰ0為初始光通量；Ⅰ為輻照后的光能量；τ0和τ分別為輻照前和輻照后少數(shù)載流子的壽命；K*為衰減常數(shù)，取決于半導(dǎo)體材料和輻射場(chǎng)的相互作用；Φ為輻照粒子通量；指數(shù)n與損傷機(jī)理相關(guān)，取決于器件工藝。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于Amphoterically摻雜工藝，n為2/3；對(duì)于同質(zhì)異構(gòu)結(jié)LED 工藝，n為0.8～1.1。

由式(1)可見(jiàn)，當(dāng)τ0K*Φ顯著＞1 時(shí)，輻照后少數(shù)載流子壽命縮短，導(dǎo)致光輸出量減小。當(dāng)輻照粒子通量Φ一定，要減小τ0K*，可通過(guò)減小τ0來(lái)實(shí)現(xiàn)。這意味著制造工藝上采用發(fā)射區(qū)重?fù)诫s，或電路設(shè)計(jì)上使LED 在大電流密度下工作，則能夠獲得較低的輻射敏感度[2,9]。

LED 對(duì)位移損傷效應(yīng)的敏感程度與其設(shè)計(jì)和制造工藝密切相關(guān)。比對(duì)研究了幾種不同工藝LED，發(fā)現(xiàn)：Amphoterically Si 摻雜的GaAs LED比GaAsP LED 對(duì)位移損傷效應(yīng)的敏感程度更高；GaAsP LED與Amphoterically 摻雜的AlGaAs LED相比，同樣是使用Amphoterically 摻雜工藝的衰減最大。多個(gè)輻照試驗(yàn)顯示，AlGaAs LED 比其他工藝的對(duì)輻射更加敏感[4-5,9]。

2.3 光電探測(cè)部分輻射敏感度分析

光電探測(cè)部分接收到光耦內(nèi)部LED 發(fā)出的光子，形成光電流，完成光—電轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)常用光電二極管或光電三極管，不同廠家在器件設(shè)計(jì)制造中一般會(huì)根據(jù)自身情況選用其一。文獻(xiàn)[10]報(bào)道對(duì)幾種典型光電二極管和光電三極管進(jìn)行了Gamma 電離總劑量輻照實(shí)驗(yàn)，得到光電二極管抗電離輻照能力高于光電三極管的普遍結(jié)論：在總劑量104krad(Si)輻照量級(jí)以下，光電二極管的轉(zhuǎn)換效率約衰減1.5～3 倍，而光電三極管的輸出衰減能夠達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)；在大于104krad(Si)輻照量級(jí)下，光電二極管和光電三極管都急劇衰減。在開(kāi)斷時(shí)間上，輻照后光電三極管的開(kāi)關(guān)速度下降了5～10 倍，而光電二極管只有非常微弱的減小。

試驗(yàn)顯示光電二極管對(duì)位移損傷效應(yīng)敏感程度同樣低于光電三極管。大劑量的粒子輻照導(dǎo)致光電二極管轉(zhuǎn)換效率衰減1 個(gè)數(shù)量級(jí)，而相同劑量會(huì)導(dǎo)致光電三極管衰減3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.4 光耦內(nèi)部放大部分輻射敏感度分析

由于光耦內(nèi)部集成放大部分的結(jié)構(gòu)不同，空間輻照環(huán)境對(duì)其影響的差異較大，但主要表現(xiàn)在對(duì)增益的影響和對(duì)漏電流的影響上。在此討論常用作非線(xiàn)性光耦內(nèi)部放大部分的3 種結(jié)構(gòu)，即普通雙極型三極管結(jié)構(gòu)、高速邏輯電路放大結(jié)構(gòu)以及MOSFET放大結(jié)構(gòu)。

普通雙極型三極管結(jié)構(gòu)光耦是一種基本形式的光耦。在電離效應(yīng)影響下，三極管漏電流會(huì)增大。50 krad(Si)輻照下，漏電流幾乎會(huì)增大1 個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然典型的光耦漏電流較小，多為nA 級(jí)，但由于 光耦類(lèi)器件個(gè)體間差異離散性較大，也會(huì)出現(xiàn)個(gè)別器件輻照后漏電流遠(yuǎn)大于平均水平的情況。位移損傷效應(yīng)會(huì)對(duì)普通光耦的雙極型三極管增益有一定影響，但這種影響較小。

對(duì)于內(nèi)部集成有邏輯放大電路的光耦，其放大部分受位移損傷效應(yīng)的影響更是大大降低。目前已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，此類(lèi)光耦中表現(xiàn)最好的為6N134，即HCPL-6631。

3 種常見(jiàn)放大結(jié)構(gòu)中，MOSFET 型光耦對(duì)電離總劑量輻射最為敏感，隨著電離輻照劑量增大，漏電流增大?？倓┝吭龃筮€會(huì)導(dǎo)致此類(lèi)光耦內(nèi)部集成M O S F E T 開(kāi)啟的門(mén)電壓降低，降低幅度為 -0.095 V/krad(Si)，這個(gè)數(shù)據(jù)與普通N 溝道MOSFET分立元件的衰減類(lèi)似[11]。

3 地面輻照試驗(yàn)及結(jié)果分析

上述分析可見(jiàn)，不同材料、工藝的光耦對(duì)空間 輻射有不同的適應(yīng)性。結(jié)合航天產(chǎn)品運(yùn)用需求，選取3 種具有代表性的非線(xiàn)性光耦作為對(duì)象開(kāi)展地面試驗(yàn)分析，評(píng)估此類(lèi)器件運(yùn)用于特定輻照環(huán)境下的可行性。

3.1 試驗(yàn)器件特性介紹

3 種具備典型結(jié)構(gòu)的光耦器件分別為基本型光耦4N55、高速光耦HCPL-6631 以及功率MOSFET光耦HSSR-7111。3 種光耦的原理如圖2所示，特性參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 三種光耦的原理 Fig.2 The principle of three kinds of optocouplers

表2 三種光耦的特性 Table2 Characteristics of three kinds of optocouplers

4N55 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其中的LED 部分采用了GaAsP 700 nm 工藝。

HCPL-6631 是一種高速光耦，采用邏輯門(mén)電路連接肖特基箝位晶體管作為放大部分，以獲得器件10 Mbit/s 左右的信號(hào)傳輸速率。其內(nèi)部LED 工藝與4N55 相同。

HSSR-7111 是一種具備特殊結(jié)構(gòu)的小型功率驅(qū)動(dòng)光耦。采用AlGaAs 880 nm Amphoterically 摻雜工藝LED，由光電二極管耦合后，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部MOSFET 輸出。為實(shí)現(xiàn)MOSFET 0.8～1.6 A 的驅(qū)動(dòng)電流，需要較長(zhǎng)的MOSFET 驅(qū)動(dòng)電壓建立時(shí)間，因此器件信號(hào)傳輸速率較另2 種光耦慢，上升/下降時(shí)間為1 ms 左右。

3.2 輻照試驗(yàn)及結(jié)果

基于HCPL-6631 型光耦，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了電離總劑量輻照試驗(yàn)。采用60Co γ 射線(xiàn)源，選擇30、60、100 krad(Si)共3 個(gè)累積劑量點(diǎn)下，按照輻照劑量率 ＜10 rad(Si)/s、劑量變化率＜5%的條件進(jìn)行。結(jié)果顯示：

1）隨著輻照劑量的增加，相同輸入電流下，光電二極管的轉(zhuǎn)換效率雖然有所下降，但下降比例僅為輻照前的1%～2%，此環(huán)節(jié)的變化對(duì)光耦整體性能的影響很小。

2）在輸入光功率一定時(shí)，輻照劑量的增加會(huì)導(dǎo)致光電二極管開(kāi)啟階段的輸出電流降低，但隨著光功率的逐步增加，輸出電流接近飽和狀態(tài)，此時(shí)不同的輻照強(qiáng)度對(duì)輸出電流的影響不大。

3）在2 mA 以下的輸入電流下，隨著輻照劑量的增加，光耦的CTR 不斷減小。隨著輸入電流逐漸增大，不同輻照劑量對(duì)光耦CTR 變化的影響變得不明顯。

國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)亦對(duì)上述3 種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的光耦開(kāi)展過(guò)輻照試驗(yàn)驗(yàn)證工作[5,9,11]，獲得如下結(jié)果：

1）在LED 受輻照影響的試驗(yàn)中，電離總劑量輻照表明，經(jīng)100 krad(Si)電離總劑量輻照，4N55和HCPL-6631 兩類(lèi)器件的LED 性能衰減小于10%； 位移損傷效應(yīng)試驗(yàn)表明，質(zhì)子輻照導(dǎo)致使用AlGaAs 880 nm 工藝的HSSR-7111 光耦的LED 部分性能衰減，引起器件導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，在200 MeV，在5×1010p/cm2輻照后，HSSR-7111 驅(qū)動(dòng)1 A 負(fù)載完全導(dǎo)通時(shí)間由約0.2 ms 增大到8 ms，1.1×1011p/cm2輻照后，30 ms 則只能打開(kāi)70%；使用GaAsP 700 nm 工藝的4N55 和HCPL-6631 器件內(nèi)部LED部分的性能衰減為原來(lái)的85%。

2）3 種光耦都使用了光電二極管作為光電探測(cè)部分，電離總劑量試驗(yàn)中觀察到104krad(Si)輻照量級(jí)下，光耦的CTR 衰減了1/3～2/3。

3）在電離總劑量對(duì)光耦放大部分的影響試驗(yàn)中，4N55 所使用的普通雙極型三極管增益在 100 krad(Si)下降約15%；高速光耦HCPL-6631 由于內(nèi)部放大部分的邏輯門(mén)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)電離輻照影響的敏感度很低。HSSR-7111 內(nèi)部采用等同于普通N 溝道MOSFET 的芯片集成，因此表現(xiàn)出與普通MOSFET 相似的電離總劑量輻照敏感性，開(kāi)啟門(mén)電壓隨輻照劑量以-0.095 V/krad(Si)降低；漏電流隨總劑量輻照增大，在25 krad(Si)劑量下觀察到 25 mA 漏電流。位移損傷效應(yīng)對(duì)MOSFET 的影響不明顯。

可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)與國(guó)外的輻照驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果相似。

3.3 結(jié)果分析

1）4N55 和HCPL-6631 的LED 采用了對(duì)輻照較不敏感的GaAsP 工藝，而HSSR-7111 采用了轉(zhuǎn)換效率更高、但對(duì)輻照更為敏感的AlGaAs 工藝。從輻射造成LED 衰減的風(fēng)險(xiǎn)上來(lái)看，HSSR-7111要大于另外2 種器件。這在輻照試驗(yàn)中得到了 驗(yàn)證。

2）對(duì)于光電探測(cè)部分，即便是采用基本形式的4N55，也使用了光電二極管替代傳統(tǒng)的光電三極管。光電二極管的設(shè)計(jì)從總劑量輻照的敏感程度以及輻照后器件的開(kāi)斷速度變化上都優(yōu)于光電三極管，一定程度上提高了器件的抗輻照能力。

3）對(duì)于后級(jí)放大電路，3 種光耦各有特點(diǎn)。4N55采用普通雙極型三極管作為放大部分，理論上會(huì)受到電離總劑量輻射和位移損傷效應(yīng)的一定影響。HCPL-6631 采用邏輯門(mén)電路集成探測(cè)并傳輸?shù)叫ぬ鼗槲痪w管上，該設(shè)計(jì)在同類(lèi)器件中對(duì)輻射的敏感度最低。HSSR-7111 內(nèi)部集成小功率MOSFET，電離總劑量效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致MOSFET 漏電流增大。

4 在軌應(yīng)用驗(yàn)證情況

機(jī)理分析和地面輻照試驗(yàn)證實(shí)，空間電離總劑量輻射效應(yīng)和非電離（位移）損傷效應(yīng)會(huì)對(duì)光耦內(nèi)部各部分的性能造成一定的影響。對(duì)于確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)工藝，通過(guò)電路設(shè)計(jì)選取適當(dāng)?shù)钠骷脜?shù)，能夠在一定程度上降低空間輻射對(duì)光耦造成的影響。以4N55 器件為例，其典型應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 4N55 器件典型應(yīng)用電路 Fig.3 Typical application circuit of 4N55 device

相同的輸入電流情況下，隨著位移效應(yīng)增大，轉(zhuǎn)換到后級(jí)三極管基極的輸入電流將減小，經(jīng)三極管放大后流過(guò)負(fù)載上拉電阻RL的電流也將減小，因此在電壓Vcc一定的情況，光耦導(dǎo)通時(shí)輸出的低電平的幅值將增大。當(dāng)幅值增大到后級(jí)邏輯電路判決門(mén)限時(shí)，將導(dǎo)致邏輯輸出錯(cuò)誤，出現(xiàn)誤碼。因此，在進(jìn)行電路參數(shù)選取時(shí)，提供給光耦的輸入電流應(yīng)設(shè)計(jì)在允許范圍內(nèi)的偏上限為宜。另外，RL的阻值選取也是合理使用光耦的一個(gè)重要環(huán)節(jié)：首先應(yīng)該保證光耦在截止和導(dǎo)通2 種狀態(tài)下輸出的高低電平能夠符合后級(jí)邏輯電路的判別范圍；其次要考慮上拉電阻大小對(duì)光耦輸出信號(hào)速率的影響，尤其是在對(duì)信號(hào)占空比有嚴(yán)格要求的使用場(chǎng)合。

不同空間環(huán)境下，不同類(lèi)型光耦對(duì)輻照的敏感度差異很大。依據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，考量低地球軌道環(huán)境下此類(lèi)器件的可靠性，進(jìn)行4N55、HCPL-6631以及HSSR-7111 這3 種典型光耦在遙感衛(wèi)星載荷分系統(tǒng)的在軌應(yīng)用驗(yàn)證，具體情況見(jiàn)表3。

表3 典型光耦器件在軌應(yīng)用驗(yàn)證情況 Table3 On-orbit application and verification of typical optocouplers

在軌應(yīng)用驗(yàn)證說(shuō)明，雖光耦的性能會(huì)受到空間輻照環(huán)境和非電離效應(yīng)的影響，但經(jīng)過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)慕殿~，上述3 類(lèi)光耦能夠很好地滿(mǎn)足低地球軌道航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分別討論了非線(xiàn)性光耦內(nèi)部LED、光電探測(cè)部分以及集成放大部分在不同輻照環(huán)境影響下的表現(xiàn)，對(duì)地面輻照試驗(yàn)以及低地球軌道下的在軌驗(yàn)證情況進(jìn)行了分析說(shuō)明，可為其他在軌飛行任務(wù)應(yīng)用此類(lèi)器件提供參考。要注意的是，光電耦合器件由于其構(gòu)造的特殊性和對(duì)空間輻射環(huán)境的敏感性，在航天領(lǐng)域使用時(shí)還須進(jìn)行綜合應(yīng)用評(píng)估。不同的運(yùn)行軌道高度、不同的太陽(yáng)活動(dòng)年的輻照差異、不同的電路設(shè)計(jì)參數(shù)、不同的功用、器件間的個(gè)體差異，以及整星、設(shè)備的屏蔽效果，都會(huì)影響到對(duì)光電耦合器件使用可靠性的評(píng)估效果。

（References）

[1] Label K A,Kniffin S D,Reed R A,et al.A compendium of recent optocoupler radiation test data[C]∥IEEE Radiation Effects Data Workshop.Tuscon,Arizons,2000: 123-146

[2] Johnston A H.Hardness assurance methods for radiation degradation on optocouplers[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2005,52(6): 2649-2656

[3] Johnston A H,Harris R D,Miyahira T F.Optocouplers: fundamentals and hardness assurance for space applications[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2009,56(6): 3310-3317

[4] Reed R A,Marshall P W,Johnston A H,et al.Emerging optocoupler issues with energetic particle-induced transients and permanent radiation degradation[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,1998,45(6): 2833-2841

[5] Rax B G,Lee C I,Johnston A H,et al.Total dose and proton damage in optocouplers[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,1996,43(6): 3167-3173

[6] 譚維熾,胡金剛.航天器系統(tǒng)工程[M].北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2009-04: 17

[7] 于慶奎,唐民,朱恒靜,等.用10 MeV 質(zhì)子和鈷60γ射線(xiàn)進(jìn)行CCD 空間輻射效應(yīng)評(píng)估[J].航天器環(huán)境工程,2008,25(4): 391-394 Yu Qingkui,Tang Min,Zhu Hengjing,et al.Experimental investigation on radiation damage on CCD by 10MeV proton and Cobalt 60 gamma[J].Spacecraft Environment Engineering,2008,25(4): 391-394

[8] 孫毅,唐民,于慶奎.典型衛(wèi)星軌道的位移損傷劑量計(jì)算與分析[J].航天器環(huán)境工程,2013,30(5): 487-492 Sun Yi,Tang Min,Yu Qingkui.Calculation and analysis of displacement damage dose for typical satellite orbits[J].Spacecraft Environment Engineering,2013,30(5): 487-492

[9] Barnes C E,Wiczer J J.Radiation effects in optoelectronic devices,Sandia Report: SAND84-0781[R],1984

[10] Epstein A S,Trimmer P A.Radiation damage and annealing effects in photon coupled isolators[G].Washington D.C.: Harry Diamond Laboatories,1972

[11] Johnston A H,Miyahira T F.Radiation damage in power MOSFET optocouplers[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2007,54(4): 1104-1109