Terma A/S:

Ekstremt robust elektronik

Der findes robust elektronik - og så findes der ekstremt robust elektronik, der er designet til at holde til det mest utrolige...

Af Michael Fahlgren

Verdensrummet er et af de mest ekstreme steder, man kan placere et stykke elektronik i – udsat for kraftige vibrationer og enorme chokpåvirkninger under opsendelse, ekstrem varme og kulde samt vel nok enhver elektronikdesigners skræk; stråling fra enhver tænkelig kilde, der på ingen tid kan tage livet af de fleste elektronikdesigns.

 

Nogle af verdens mest erfarne elektronikdesignere sidder hos danske Terma A/S i Lystrup, et kampestenskast nord for Aarhus. Lige siden ESRO IV-missionen i 1972 har virksomheden bidraget med en lang række elektroniske designs til internationale missioner i Verdensrummet – startende med ESRO IV, som efter halvandet år i rummet havde indsamlet store datamængder om jordens ionosfære, atmosfære, strålingsbælter og solpartikelstrålingens indtrængen i magnetosfæren.

 

Så hvis nogen ved noget om robust elektronik, må det nødvendigvis være Termas elektronikspecialister. Vi har talt med Johnny Laursen, der har mere end 20 år erfaring med dette fascinerende emne – der bestemt også har langt mere jordnære anvendelsesmuligheder i mange andre grene af elektronikindustrien.

 

– Rumfart er nok den gren af elektronikindustrien, hvor det er mest indlysende at tænke robust elektronik; selv tænker jeg også hospitaler, hvor udstyret gerne må være designet lige så robust som det, jeg arbejder med til hverdag, indleder ingeniør med speciale i powersystemer og rumfartselektronik Johnny Laursen, Terma A/S, med et smil på læben.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Først og fremmest: et sundt design

Når man hos Terma tager hul på et nyt elektronikdesign, som skal finde vej til rummet, går der helt automatisk en række tanker i gang hos ingeniører og udviklere. Udgangspunktet er, hvad Johnny Laursen kalder for et sundt design, hvad der automatisk udelukker en række ellers iøjnefaldende løsninger og komponenter – hvis ikke de har bevist deres ydeevne, pålidelighed og driftsstabilitet gennem længere tid. Nye komponenter på markedet kan virke attraktive på grund af udvidede specifikationer og funktioner, men hvis komponenten ikke tidligere har været prøvet i et tilsvarende design kommer den ikke med.

 

– Måske har fabrikanten været lidt for optimistisk på nogle områder, så vi vælger ikke ukendte komponenter. Og når vi tager en ny komponent ind er vi meget grundige; vi tester den gennemgribende i en speciel prøveopstilling så vi ved præcist, hvad vi kan byde den. Derfor søger vi altid et grundigt og solidt design. Selve designprocessen er papirbaseret suppleret med elektriske simuleringer på baggrund af en model. Det udstyr vi designer bliver ikke bare tændt, hvorefter det kører statisk for evig tid. Det udsættes for en masse dynamiske forhold med variationer på indgangene, temperatur og meget andet, som potentielt kunne påvirke den elektriske funktion. Alt det modellerer vi i muligt omfang og prøver af på alle tænkelige måder og kombinationer af indre og ydre påvirkninger. Vi beregner worst case og drift på hver enkelt komponent inden for de kombinatorisk mulige variationsmuligheder. Vi gør det for hele kredsløbet og vurderer, hvordan hele konstruktionen opfører sig, forklarer Johnny Laursen.

 

 

Breadboard sammenlignes med model

Er der tale om et design, der udvikles helt fra bunden, anvender Terma ofte et Breadboard til at opbygge den første prototype. Ved hjælp af omfattende målinger på Breadboardet undersøges sammenhængen (korrelationen) mellem design og model.

 

– Siger modellen noget andet, end det vi måler, er der noget vi ikke har modelleret korrekt. Og det skal findes. Vi udsætter prototypen for store temperaturvariationer, som er en god måde at teste elektronik, der som oftest ændrer specifikationer under ændrede temperaturforhold. Også her skal vi gerne se de samme variationer i vores model, ellers er den ikke god nok. Vi udfører desuden en række kredsløbsanalyser med forskellige metoder: worst case-analyser ser på komponenters drift over lang tid, temperaturforhold, initial- og fremstillingstolerancer, stressmæssige forhold under lodning og meget andet, uddyber Johnny Laursen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De-ratede komponenter holder længere

Ved robust elektronikdesign er det ikke alene fornuftigt, men også medvirkende til at forlænge levetiden for hele designet, hvis man holder en god afstand ”op” eller ”ned” til enhver given komponents grænseværdi. Hos Terma arbejder man med begrebet ”de-rating”, som indebærer at man holder sig inden for visse fastsatte procentsatser for komponenternes forskellige parametre. Grænser, der er væsentligt lavere end producenternes grænseværdier.

 

– Eksempelvis går vi måske kun op til 60 % af en kondensators spændingsmærkning eller 75 % for en transistor. Vi holder altså en fornuftig afstand og opnår to fordele: dels anvender vi ikke lige komponenten til det, den er designet til, så hvis producenten kommer med et nyt lot, der ikke er lige så holdbart som det burde være, ligger vi stadigvæk i en fornuftig afstand fra grænseværdien. Eller måske har man overset noget i designet, så man i visse tilfælde, eksempelvis ved transienter eller andet, kommer højere op mod grænseværdierne end man har beregnet, har man stadigvæk lidt luft. Denne analyse er en rigtig god øvelse for nye elektronikdesignere, hvor man trænger helt ned i designet og regner på simpelthen alt, forklarer Johnny Laursen.

 

 

Robust design er et komponentmæssigt kompromis

Den såkaldte failure mode analyse gennemgår hver enkelt komponent i det aktuelle kredsløb og vurderer, hvad der sker, hvis den pågældende komponent enten kortslutter eller afbryder. I vores konstruktion af elektronikken til Rosetta rumsonden er der taget højde for at man kan fjerne enhver komponent uden at påvirke hele designets samlede funktion. Det kan kun opnås, hvis konstruktionen indeholder elementer, som sikrer dette. Lidt humoristisk kan man spørge, hvorfor komponenter, der kan fjernes, overhovedet medtages. Set fra et pålidelighedssynspunkt er så få komponenter naturligvis at foretrække – for jo færre elementer kan gå i stykker. Så ethvert robust design er nødvendigvis en balancegang, der skal ramme det rigtige komponentantal: at anvende så få komponenter som muligt for at opnå den ønskede funktion, påpeger Johnny Laursen.

 

Denne tilgang indebærer, at de mest sikre og driftsstabile design hos Terma typisk er tredobbelt med omkring 50 % ekstra komponenter i forhold til det absolutte minimum.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stråling – enhver elektronikdesigners mareridt

Stråling kan smadre ethvert nok så grundigt designet og udført robust stykke elektronik. Og netop stråling er til stede i rummet i meget store mængder og af enhver type. Højenergipartikler er den suverænt værste form for stråling, for man kan ikke blokere den ved hjælp af gængse teknologier eller materialer. Højenergipartikler kan endog passere gennem hele satellitten uden at miste hastighed, og når en sådan partikel rammer en elektronikkomponent ødelægges denne.

 

- Traditionel stråling degraderer enhver komponent og dræner enhver transistor og ethvert forstærker-design for al gain, hvorfor vi designer enhver forstærker med et lavt gain i forhold til, hvad der er muligt. Det bidrager samtidigt til robustheden. Højenergipartikler trænger igennem enhver struktur i et rumfartøj og kan under uheldige omstændigheder ramme ned i en livsvigtig komponent, og slå denne ihjel. Det kan man ikke skærme sig ud af, men man kan enten designe sig ud af det eller vælge komponenter, der er designet til det. Vi gør begge dele ved at anvende såkaldte rad hard (Radiation Hardened) komponenter. De er godt nok meget kostbare – fx koster én MOS-FET i rad hard-udgave i omegnen af 5.000 kroner, fremhæver Johnny Laursen.

 

 

Test – den sidste fase i robust design

Test, test og atter test er den afsluttende disciplin i robust design. Dels testes de enkelte print grundigt, det samme gælder for de enkelte moduler – og endelig underkastes det færdige produkt en meget lang række test, som skal dokumentere kvalitet, driftsstabilitet og robusthed.

 

Hos Terma gennemgår alt vibrations-, chok-, elektriske og termiske test – samt test i vacuum for at simulere tilstandene i rummet.

 

- Samtlige tests gennemføres under fuld drift med strøm på og relevante inputs og belastninger for at teste for både periodiske udfald, stressbetingede fejl og almindelige driftsmæssige fejlsituationer. Vi er meget opmærksomme på at der er overensstemmelse mellem måleresultater og vores model, så alle disse mange sluttests er også en test af modellen. Er der noget, der afviger, må vi tilbage til modellen og foretage de nødvendige rettelser, konstaterer Johnny Laursen.

 

 

Mars stiller specielle krav

Når ExoMars-missionen – med en primær satellit, der forbliver i kredsløb om Mars mens et mindre landingsfartøj lander på Mars’ overflade – efter planen får liftoff i 2016 bliver det også med elektronik fra Terma, i form af fartøjets strømforsyning, ombord. Med en omgivelsestemperatur, der ligger i området -55°C til +85°C, stilles der eksorbitant høje krav til elektronikkens interne energiomsætning og dermed varmegenerering, men ikke mindst til den måde varmen ledes bort. For uden atmosfærisk luft til hjælp skal der blandt andet designes nogle helt specielle printpladelayouts, hvor selve kobberlederen indgår i kølesystemet.

 

- Da der er tale om et forholdsvis lille og let landingsfartøj, er det mere følsom over for temperaturændringer grundet skyggesider rundt om planeter og lignende. Det skal elektronikken naturligvis kunne følge med til, slutter Johnny Laursen.