GB/T 41270.9-2022 航空电子过程管理 大气辐射影响 第9部分：航空电子设备单粒子效应故障率计算程序与方法

　　ICS 49 . 020 CCS V 25

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　航空电子过程管理 大气辐射影响

　　第 9 部分：航空电子设备单粒子效应

　　故障率计算程序与方法

　　processmanagementforavionics—Atmosphericradiationeffects—

　　part9：Singleeventeffectfaultratecalculationmethodsandproceduresfor

　　avionicequipment

　　2022-03-09 发布 2022-10-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 缩略语 1

　　5 计算方法 2

　　5 . 1 通用计算方法 2

　　5 . 2 总故障率计算方法 2

　　5 . 3 软故障率计算方法 2

　　5 . 4 硬故障率计算方法 3

　　6 计算程序 4

　　6 . 1 计算流程图 4

　　6 . 2 输入 5

　　6 . 3 计算步骤 5

　　6 . 4 输出 6

　　附录 A(资料性) 计算案例 7

　　附录 B(资料性) 敏感器件清单 11

　　附录 C(资料性) 大气中子辐射应力计算方法 13

　　附录 D(资料性) 单粒子效应截面数据典型值 19

　　参考文献 20

　　Ⅰ

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　本文件是 GB/T 41270《航空电子过程管理 大气辐射影响》的第 9 部分。 GB/T 41270 已经发布了以下部分：

　　— 第 7 部分：航空电子产品设计中单粒子效应分析过程管理;

　　— 第 9 部分：航空电子设备单粒子效应故障率计算程序与方法。

　　本文件由全国航空电子过程管理标准化技术委员会(SAC/TC 427)提出并归口 。

　　本文件起草单位：中国航空综合技术研究所、北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司、中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所。

　　本文件主要起草人：王群勇、邵文韬、陈冬梅、阳辉、白桦、施发健、严拴航、梁力、闫攀峰、王晓炜。

　　Ⅲ

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　Ⅳ

　　引

　　

　　言

　　0 . 1 目标

　　本文件是为了航空电子设备电子产品单粒子效应故障率的分析计算的需要而制定的。

　　0 . 2 技术概述

　　大气层内工作的航空电子设备，其关键器件在遭受大气中子辐射下会产生多种单粒子效应，传递至航空电子设备，会产生单粒子效应软故障和/或硬故障，会影响飞机的安全性。 考虑到只有设备级 SEE故障率才参与系统级、飞机级的安全分析过程。 因此，在飞机安全性评估过程中需要提供设备级的SEE故障率及其计算方法与程序，为航空电子设备安全性分析提供基础数据。

　　GB/T 34955—2017《大气辐射影响 航空电子系统单粒子效应试验指南》和 GB/T 34956—2017 《大气辐射影响 航空电子设备单粒子效应防护设计指南》共同构成航空电子产品开展单粒子效应设计与分析的基础技术标准。

　　GB/T 41270 规定了大气中子单粒子效应分析、试验、评价方法与程序，拟由两个部分构成。

　　— 第 7 部分：航空电子产品设计中单粒子效应分析过程管理。 目 的在于规定航空电子产品设计中电子元器件单粒子效应分析的方法和程序。

　　— 第 9 部分：航空电子设备单粒子效应故障率计算程序与方法。 目 的在于规定航空电子设备单粒子效应故障率通用、总故障率、软故障率、硬故障率计算方法与计算程序。

　　0 . 3 相关专利情况说明

　　本文件的发布机构提请注意，声明符合本文件时，可能涉及单粒子效应故障率、大气中子辐射应力、器件敏感截面、降额因子相关的专利的使用。

　　本文件的发布机构对于该专利的真实性、有效性和范围无任何立场。

　　该专利持有人已向本文件的发布机构承诺，他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下，就专利授权许可进行谈判。 该专利持有人的声明已在本文件的发布机构备案。

　　表 1 中列出的专利权人持有本文件涉及的专利。

　　表 1 持有本文件涉及专利的专利权人相关信息

　　专利持有人

　　地址

　　北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司

　　北京市海淀区紫竹院路 69 号中国兵器大厦 708 室

　　请注意除上述专利外，本文件的某些内容仍可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

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　　航空电子过程管理 大气辐射影响

　　第 9 部分：航空电子设备单粒子效应

　　故障率计算程序与方法

　　1 范围

　　本文件给出了航空电子设备单粒子效应故障率通用计算方法、总故障率计算方法、软故障率计算方法、硬故障率计算方法与计算程序。

　　本文件适用于 35 km 以下高空内工作的航空电子设备的研制、试验和维护。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 34955—2017

　　大气辐射影响

　　航空电子系统单粒子效应试验指南

　　GB/T 34956—2017

　　大气辐射影响

　　航空电子设备单粒子效应防护设计指南

　　3 术语和定义

　　GB/T 34956—2017 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　大气中子辐射应力 atmosphericneutronradiationstress

　　飞行任务过程中，航空电子设备遭受的大气辐射环境中子注量率。

　　注：大气中子辐射应力的单位为每平方厘米小时[/(cm2 · h)]。

　　3.2

　　单粒子效应故障率 singleeventeffectfaultrate

　　加电工作状态下，单位时间内大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子效应故障次数。注：单粒子效应故障率的单位为次每小时(次/h)。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　ADC：模拟数字转换器(analog-to-digital converter)

　　AD/DA：模数/数模转换(analog-to-digital/digital-to-analog convert)

　　APS：高级成像系统(advanced photo system)

　　CCD：电荷耦合元件(charge-coupled device)

　　CMOS：互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor)

　　CPU：中央处理器(central processing unit)

　　DAC：数字模拟转换器(digital-to-analog converter)

　　DRAM：动态随机存取存储器(dynamical random access memory)

　　1

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　DSP：信号处理器(digital signal processing)

　　EEPROM：带电可擦可编程只读存储器(electrical erasable programmable read only memory)

　　FPGA：现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array)

　　IGBT：绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor)

　　MBU：单粒子多位翻转(multiple bit upset)

　　MCU：单粒子多单元翻转(multiple cell upset)

　　MOSFET：金属氧化物半导体场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor)

　　SDRAM：同步动态随机存取存储器(synchronous dynamical random-access memory)

　　SEB：单粒子烧毁(single event burnout)

　　SEE：单粒子效应(single event effect)

　　SEFI ：单粒子功能中止(single event functional interrupt)

　　SEGR ：单粒子栅穿(single event gate rupture)

　　SEL：单粒子锁定(single event latch-up)

　　SET ：单粒子瞬态(single event transient)

　　SEU ：单粒子翻转(single event upset)

　　SRAM：静态随机存取存储器(static random-access memory)

　　5 计算方法

　　5 . 1 通用计算方法

　　设备级或功能板级单粒子效应故障率通用计算方法如公式(1)所示。

　　λ =狉SEE × Π …………………………( 1 )

　　式中：

　　λ — 大气中子辐射导致的单粒子效应故障率，单位为次每小时(次/h) ;

　　狉SEE — 大气中子辐射导致的单粒子效应率，单位为次每小时(次/h) ;

　　Π — 降额因子，取值范围为[0,1]。 借用降额因子来指代单粒子效应率转化为单粒子效应故障率的转化程度。

　　单粒子效应率的通用计算方法如公式(2)所示。

　　狉SEE = 犳 × σ …………………………( 2 )

　　式中：

　　犳 — 大气中子辐射应力，单位为每平方厘米小时[/(cm2 · h)] ;

　　σ — 敏感器件单粒子效应截面，单位为平方厘米每比特(cm2 /bit)或平方厘米每器件(cm2 /dev)。

　　5 . 2 总故障率计算方法

　　半导体器件单粒子效应种类包括 SEU、SET、SEFI、SEL、SEB 等 。其中，SEU、SET、SEFI、SEL 等单粒子效应会导致设备单粒子效应软故障;SEL、SEB等单粒子效应会导致设备单粒子效应硬故障。

　　航空电子设备单粒子效应总故障率计算方法如公式(3)所示。

　　λtotal = λsoft + λhard …………………………( 3 )

　　式中：

　　λtotal — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子效应总故障率，单位为次每小时(次/h) ;

　　λsoft — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子效应软故障率，单位为次每小时(次/h) ;

　　λhard — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子效应硬故障率，单位为次每小时(次/h)。

　　5 . 3 软故障率计算方法

　　航空电子设备单粒子效应软故障现象是指可自动恢复的故障或断电重启后可恢复的故障。

　　2

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　航空电子设备单粒子效应软故障率的计算方法如公式(4)所示。

　　λsoft = λsoft-SEU + λsoft-SET + λsoft-SEFI + λsoft-SEL ………………( 4 )

　　式中：

　　λsoft-SEU — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子翻转软故障率，单位为次每小时(次/h) ;

　　λsoft-SET — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子瞬态软故障率，单位为次每小时(次/h) ;

　　λsoft-SEFI — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子功能中止软故障率，单位为次每小时(次/h) ;

　　λsoft-SEL — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子锁定软故障率，单位为次每小时(次/h)。

　　航空电子设备单粒子翻转软故障率的计算方法如公式(5)所示。

　　λsoft-SEU = Σ × Πerror ………………( 5 )

　　犻

　　式中：

　　犻 — 第 犻个大气中子单粒子效应敏感器件，简称器件 犻;

　　狉SEU-犻 — 器件 犻单粒子翻转率，单位为次每小时(次/h) ;

　　ΠSEU-犻 — 器件 犻单粒子翻转减缓措施降额因子，取值范围为[0,1]。 如果该器件采取了有效减缓措施，降额因子宜取值 0,没有采取有效减缓措施，宜取值 1 ;

　　Πused-犻 — 器件 犻资源利用率，取值范围为[0,1],取值为应用所占用资源与全部存储资源的比率;

　　Πerror — 单粒子翻转在航空电子设备中传播并导致设备软故障的传递率，取值范围在[0,1]。 软故障传递率可选推荐值 1/52。

　　航空电子设备单粒子瞬态软故障率的计算方法如公式(6)所示。

　　λsoft-SET = Σ × Πerror ……………………( 6 )

　　犻

　　式中：

　　狉SET- 犻 — 器件 犻单粒子瞬态率，单位为次每小时(次/h) ;

　　ΠSET-犻— 器件 犻单粒子瞬态减缓措施降额因子，取值范围为[0,1]。 如果采取了有效减缓措施，宜取值 0,没有采取有效减缓措施，宜取值 1 。

　　航空电子设备单粒子功能中止软故障率的计算方法如公式(7)所示。

　　λsoft-SEFI = Σ狉SEFI-犻 …………………………( 7 )

　　犻

　　式中：

　　狉SEI-犻— 器件 犻单粒子功能中止率，单位为次每小时(次/h)。

　　航空电子设备单粒子锁定软故障率的计算方法如公式(8)所示。

　　λsoft-SEL = Σ …………………………( 8 )

　　犻

　　式中：

　　狉SEL- 犻 — 器件 犻单粒子锁定率，单位为次每小时(次/h) ;

　　ΠSEL-犻 — 器件 犻单粒子锁定限流防护措施降额因子，取值范围为[0,1]。 如果该器件采取了限流防护措施，其降额因子宜取值 1;如果未采取限流防护措施，其降额因子宜取值 0 。

　　注：单粒子多位翻转(MBU)、单粒子多单元翻转(MCU)导致的设备单粒子效应软故障率可以按照相似性原理见公式(5)计算。

　　5 . 4 硬故障率计算方法

　　航空电子设备单粒子效应硬故障率计算方法如公式(9)所示。

　　λhard = λhard-SEL + λhard-SEB …………………………( 9 )

　　式中：

　　λhard-SEL — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子锁定硬故障率，单位为次每小时(次/h) ;

　　λhard-SEB — 大气中子辐射导致的航空电子设备单粒子烧毁硬故障率，单位为次每小时(次/h)。

　　航空电子设备单粒子锁定硬故障率计算方法如公式(10)所示。

　　3

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　航空电子设备单粒子烧毁硬故障率计算方法(r)Si 式(×)(11)所示。 ………………( 10 )

　　λhard-SEB = ΣrSEB-i × ΠSEB-i …………………………( 11 )

　　i

　　式中：

　　rSEB-i — 器件 i单粒子烧毁率，单位为次每小时(次/h) ;

　　ΠSEB-i — 器件 i单粒子烧毁减缓措施降额因子，取值范围为[0,1]。针对高压器件，如果采取了

　　降额使用电压措施，例如，当 MOSFET 的工作电压小于 300 V 时，降额因子宜取值 0 ,当其工作电压大于 300 V 时，降额因子宜取值 1 。

　　注：单粒子栅穿(SEGR)导致的设备单粒子效应硬故障率可以按照相似性原理见公式(11)计算。

　　6 计算程序

　　6 . 1 计算流程图

　　航空电子设备单粒子效应故障率计算流程图如图 1 所示。

　　附录 A 给出了导航接收机的单粒子效应故障率计算案例。

　　图 1 计算流程图

　　4

　　GB/T 41270 . 9—2022

　　6 . 2 输入

　　航空电子设备单粒子效应故障率计算需要的主要输入信息如下：

　　a) 航空电子设备半导体器件清单;

　　b) 飞机飞行的高度、纬度、经度或飞行航线，是否考虑太阳极端事件;

　　c) 指标要求。

　　6 . 3 计算步骤

　　6 . 3 . 1 确定敏感器件清单

　　根据器件单粒子效应敏感特性，确定航空电子设备的单粒子效应敏感器件清单：

　　a ) 根据器件单粒子效应敏感特性，见附录 B 的表 B.1,确定单粒子效应敏感器件;

　　b) 参考航空电子设备单粒子效应敏感器件清单模板，见表 B.2,填写敏感器件信息。

　　6 . 3 . 2 计算大气中子辐射应力

　　根据飞行航线，以及是否考虑太阳极端事件的需求，按照大气中子辐射应力计算方法，计算大气中子辐射应力。 附录 C 给出了 5 种大气中子辐射应力计算方法，可根据需求选择其中的一种方法：

　　a) 典型值法;

　　b) 平均值法;

　　c) 坐标点法;

　　d) 峰值法;

　　e) 极端值法。

　　6 . 3 . 3 确定单粒子效应截面

　　根据器件类型、工艺类型或试验数据，确定敏感器件单粒子效应截面：

　　a) 数据来源一：在设计初期，可根据附录 D 中表 D.1 中的器件类型单粒子效应截面典型值，获取敏感器件单粒子效应截面数据;

　　b) 数据来源二：在详细设计阶段，可根据器件型号的工艺类别/工艺参数，参考 GB/T 34956 — 2017,获取相似器件工艺的单粒子效应截面数据;

　　c) 数据来源三：根据厂家提供的器件数据表，获取单粒子效应截面数据;或开展地面模拟单粒子效应试验，试验方法应符合 GB/T 34955—2017,获取器件截面试验数据。

　　6 . 3 . 4 确定降额因子

　　根据设备的功能应用特征，确定下列降额因子：

　　a) 资源利用率;

　　b) 单粒子效应防护/减缓措施降额因子;

　　c) 单粒子效应软故障传递率。

　　6 . 3 . 5 计算单粒子效应总故障率

　　根据第 5 章中航空电子设备单粒子效应故障率计算公式，计算航空电子设备的单粒子效应故障率如下：

　　a) 航空电子设备单粒子效应软故障率;

　　b) 航空电子设备单粒子效应硬故障率;

　　5

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　　c) 航空电子设备单粒子效应总故障率。

　　6 . 4 输出

　　输出航空电子设备的单粒子效应故障率计算报告，报告目录如下：

　　1 概述

　　2 计算方法

　　3 计算程序

　　4 计算结果

　　4 . 1 航空电子设备基本信息

　　4 . 2 大气中子辐射应力

　　4 . 3 单粒子效应敏感器件清单

　　4 . 4 航空电子设备单粒子效应率

　　4 . 5 航空电子设备单粒子效应故障率

　　6

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　　附 录 A

　　(资料性)计 算 案 例

　　A.1 计算案例概述

　　某机载卫星导航接收机(以下简称导航接收机)，无冗余，其主要功能是接收导航卫星信号，经过下变频处理、数字基带处理、软件解算，实时给出导航接收机的位置和速度信息。 本案例给出导航接收机在大气中子辐射影响下单粒子效应故障率的计算过程与计算结果。 计算过程如下。

　　A.2 输入

　　导航接收机单粒子效应故障率计算需要的主要输入信息如下。

　　a) 导航接收机器件清单。

　　该设备使用的器件包括 1 个 DSP、1 个 SRAM 和 2 个 SRAM 型 FPGA。

　　b) 飞行航线(高度、纬度、经度)，是否考虑太阳极端事件。

　　参照附录 B.1 典型值法，假设飞行航线为高度为 12.2 km,纬度为北纬 45°。不考虑太阳极端

　　事件。

　　c) 指标要求。

　　指标要求见本文件规范性引用文件，并引用导航接收机的设计要求。

　　A.3 计算步骤

　　A.3 . 1 确定敏感器件清单

　　依据输入，通过参考表 B. 1 常见器件大气中子单粒子效应敏感特性，进行器件单粒子效应敏感性分析，获得该导航接收机设备使用的 1 个 DSP、1 个 SRAM 和 2 个 SRAM 型 FPGA 的敏感器件清单。 参照表 B. 2 单粒子效应敏感器件清单模板，填写导航接收机单粒子效应敏感器件清单信息，如表 A. 1所示。

　　表 A.1 导航接收机单粒子效应敏感器件清单

　　序 号

　　设 备

　　功 能 板

　　器 件 类 型

　　器 件 型 号

　　生 产 商

　　器 件 数 量

　　工艺类型/工艺

　　参数

　　nm

　　SEU

　　SET

　　SEL

　　SEFI

　　SEB

　　总存

　　储容量bit

　　资源利用率

　　截面

　　cm2 /bit

　　减缓措施因子

　　截面

　　cm2 /dev

　　减缓措施因子

　　截面

　　cm2 /dev

　　防护措施因子

　　截面

　　cm2 /dev

　　截面

　　cm2 /dev

　　降额使用因子

　　1

　　导 航 接 收 机

　　板 1

　　DSP

　　—

　　—

　　1

　　90

　　2

　　SRAM

　　—

　　—

　　1

　　130

　　3

　　板 2

　　FPGA

　　—

　　—

　　1

　　45

　　4

　　板 3

　　FPGA

　　—

　　—

　　1