VDMOS器件損傷的DC／DC轉(zhuǎn)換器輻射預(yù)兆單元設(shè)計(jì)

    航天用DC／DC轉(zhuǎn)換器工作在太空輻射環(huán)境下，輻射損傷是其主要失效機(jī)理。DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性關(guān)系到整個(gè)航天器的可靠性，國(guó)內(nèi)外廣泛研究了DC／DC轉(zhuǎn)換器輻射損傷失效機(jī)理、失效模式和抗輻射篩選與加固措施。隨著航天事業(yè)發(fā)展和大量商用器件用于航天設(shè)備，迫切需要尋找新方法來(lái)保證DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性。國(guó)外研究人員提出把預(yù)兆單元技術(shù)用于DC／DC轉(zhuǎn)換器，在不改變DC／DC變轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前提下，加入監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)易損器件或DC／DC轉(zhuǎn)換器參數(shù)，在DC／DC轉(zhuǎn)換器失效前報(bào)警，保證DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性。但還未見(jiàn)到將預(yù)兆單元技術(shù)用于DC／DC轉(zhuǎn)換器抗輻射可靠性研究。文中通過(guò)輻射失效物理和DC／DC轉(zhuǎn)換器電氣傳輸關(guān)系分析，建立VDMOS器件輻射損傷敏感參數(shù)與DC／DC轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵敏感參數(shù)之間的輻射損傷關(guān)系。依據(jù)輻射損傷關(guān)系設(shè)計(jì)預(yù)兆單元，在DC／DC轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障之前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，盡快采取措施減小輻射損傷失效帶來(lái)的損失。

1 預(yù)兆單元設(shè)計(jì)原理
1．1 預(yù)兆單元技術(shù)原理
    電子產(chǎn)品預(yù)兆單元是一單元電路，它與工作電路(也叫宿主電路)集成在同一芯片上。預(yù)兆單元電路和宿主電路工作在相同的應(yīng)力和環(huán)境條件下，預(yù)兆單元電路采集宿主電路所在的環(huán)境信息或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)宿主電路的某項(xiàng)參數(shù)，在宿主電路失效前發(fā)出預(yù)警信號(hào)。預(yù)兆單元技術(shù)的核心思想由可靠性浴盆曲線，如圖1所示，說(shuō)明浴盆曲線分為3個(gè)區(qū)域，第一個(gè)區(qū)為早期失效區(qū)，失效率較高。第二個(gè)階段為偶然失效區(qū)，失效率較低。第三個(gè)階段為損耗失效區(qū)，失效率明顯上升，大部分產(chǎn)品的壽命將終止。預(yù)兆單元在設(shè)備進(jìn)入損耗區(qū)前做出判斷，向用戶發(fā)出警報(bào)。預(yù)兆單元可分為兩種，一種是加速壽命的預(yù)兆單元；一種是監(jiān)測(cè)參數(shù)的預(yù)兆單元，選取電路或器件敏感且容易監(jiān)測(cè)的參數(shù)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)該參數(shù)的變化達(dá)到預(yù)警的作用。
1．2 預(yù)兆單元設(shè)計(jì)理論依據(jù)
    文中采用監(jiān)測(cè)參數(shù)的預(yù)兆單元，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的預(yù)兆單元關(guān)鍵是確定敏感易監(jiān)測(cè)的參數(shù)，然后建立監(jiān)測(cè)參數(shù)與DC／DC轉(zhuǎn)換器輻射損傷關(guān)系。DC／DC轉(zhuǎn)換器輻射失效模式主要有輸出電壓漂移、轉(zhuǎn)換效率下降、輸出紋波增大、線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率增大等。電離輻射效應(yīng)在MOS系統(tǒng)中產(chǎn)生氧化層陷阱電荷和界面態(tài)電荷，VDMOS器件總劑量輻射效應(yīng)失效模式有閾值電壓漂移、跨導(dǎo)退化、漏電流增加等。通過(guò)后續(xù)的電路分析可得敏感監(jiān)測(cè)參數(shù)和輻射損傷關(guān)系。
    圖2所示是一單端反激變換器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，采用脈寬調(diào)制器芯片(PWM)控制VDMOS器件的開(kāi)關(guān)，VDMOS器件在轉(zhuǎn)換器中用作開(kāi)關(guān)作用。

(1)輻射后，VDMOS器件閾值電壓負(fù)漂，當(dāng)VDMOS器件閾值電壓低于PWM輸出電壓低電平時(shí)，VDMOS器件不能關(guān)斷，變壓器不能傳輸能量，輸出電壓急劇下降，轉(zhuǎn)換器徹底失效；(2)閾值電壓負(fù)漂引起導(dǎo)電溝道開(kāi)啟增大，漏端電流增大，DC／DC轉(zhuǎn)換器功耗增加而失效，國(guó)內(nèi)外也有相似的報(bào)道。對(duì)于第一種失效模式，選取VDMOS器件的閾值電壓和DC／DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓為輻射敏感參數(shù)。輻射后VDMOS器件的閾值電壓不低于PWM輸出電壓低電平，輸出電壓保持穩(wěn)定。對(duì)于第二種失效模式，選取VDMOS器件閾值電壓和功耗為輻射敏感參數(shù)。輻射損傷引起的導(dǎo)通損耗開(kāi)關(guān)損耗總損耗分別如式(1)～式(3)所示。

   
    當(dāng)閾值電壓負(fù)漂到一個(gè)定值時(shí)，功耗過(guò)大使效率低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，DC／DC轉(zhuǎn)換器失效。由上面兩種失效模式分析可知，當(dāng)閾值電壓負(fù)漂到一個(gè)確定值時(shí)，DC／DC轉(zhuǎn)換器失效。設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的預(yù)兆單元，就是監(jiān)測(cè)VDMOS器件閾值電壓，在閾值電壓還未達(dá)到失效點(diǎn)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

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2 預(yù)兆單元設(shè)計(jì)
2．1 預(yù)警方案選取
    針對(duì)上述兩種失效模式，選取合適的預(yù)警方案，在DC／DC轉(zhuǎn)換器中加人預(yù)兆單元，加入預(yù)兆單元后的DC／DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。報(bào)警信號(hào)采用低電位向高電位的跳變，為此設(shè)計(jì)合理的預(yù)兆單元電路，在轉(zhuǎn)換器將要失效時(shí)，輸出信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

2．2 單元電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)前文所述預(yù)兆單元技術(shù)原理，監(jiān)測(cè)參數(shù)的預(yù)兆單元電路應(yīng)包括下面3部分。(1)VDMOS器件損傷情況監(jiān)測(cè)電路；(2)監(jiān)測(cè)信號(hào)放大電路；(3)輸出電路。下面分別介紹各個(gè)功能部分的設(shè)計(jì)過(guò)程。(1)輻射損傷監(jiān)測(cè)電路。通過(guò)R1和R2給監(jiān)測(cè)器件固定柵偏壓，這個(gè)柵偏壓是報(bào)警閾值點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)器件閾值電壓負(fù)漂到固定柵偏壓時(shí)，監(jiān)測(cè)器件導(dǎo)通；(2)監(jiān)測(cè)信號(hào)放大電路。在監(jiān)測(cè)器件的上電位加一負(fù)載，負(fù)載是電阻或p型MOSFET有源負(fù)載，負(fù)載和監(jiān)測(cè)器件構(gòu)成放大器，監(jiān)測(cè)器件閾值電壓負(fù)漂到報(bào)警閾值點(diǎn)時(shí)，Vsense由高電平轉(zhuǎn)化為低電平；(3)輸出電路。輸出電路采用抗輻射加固的反相器實(shí)現(xiàn)?？馆椛浼庸谭聪嗥?，如圖4所示，增加一個(gè)上拉p型MOSFET(p1)，并在n型MOSFET下面引入一個(gè)額外的n型MOSFET(n1)。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，p1MOSFET關(guān)斷，n1MOSFET開(kāi)啟，原始的反相器工作不受影響。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，plMOSFET起上拉作用，使p1MOSFET和n1MOSFET漏端連接點(diǎn)處于高電平，因此n型MOSFET能更有效的關(guān)閉。n型MOSFET源漏電壓減小，降低了漏電流，經(jīng)過(guò)輻射后，輸出仍能保持在Vcc附近。整體電路，如圖4所示，當(dāng)VDMOS器件輻射損傷達(dá)到一定程度時(shí)，監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和輸出電路最終輸出高電平信號(hào)。

3 報(bào)警閾值確定與仿真
3．1 報(bào)警閾值確定
    報(bào)警閾值點(diǎn)由VDMOS器件和DC／DC轉(zhuǎn)換器之間的損傷關(guān)系而定，上述兩種不同的失效模對(duì)應(yīng)不同的失效閾值點(diǎn)。下面的方法可以解決不同閾值點(diǎn)的問(wèn)題。對(duì)于VDMOS器件不能關(guān)斷失效模式，失效時(shí)閾值電壓漂移量△V1=Vth一V1(V1為PWM輸出低電平電壓)。對(duì)于效率退化失效模式，根據(jù)式(3)和國(guó)家軍用標(biāo)規(guī)定推算得閾值電壓漂移量為△V2。對(duì)比兩種失效模式閾值電壓負(fù)漂量，選取負(fù)漂量較小的為失效負(fù)漂量。失效閾值電壓負(fù)漂量減小20％作為監(jiān)測(cè)閾值電壓負(fù)漂量。閾值電壓的監(jiān)測(cè)點(diǎn)由式(4)給出

   
3．2 仿真驗(yàn)證
    根據(jù)選取的DC／DC轉(zhuǎn)換器電路，確定參數(shù)并代入式(4)計(jì)算得Vs=1．2V，調(diào)整R1，R2的阻值，使DUT器件監(jiān)測(cè)電壓為1．2V。在Pspice下仿真結(jié)果，如圖5所示，當(dāng)VDMOS器件閾值電壓負(fù)漂到1．2V時(shí)，輸出電壓由低電平變?yōu)楦唠娖剑瑢?shí)現(xiàn)報(bào)警。由于電路采用抗輻射加固設(shè)計(jì)，其他器件輻射損傷對(duì)輸出影響不大，仿真結(jié)果沒(méi)有變化，在此不再給出仿真結(jié)果。航天用DC／DC轉(zhuǎn)換器工作在很大的溫度范圍內(nèi)，預(yù)兆單元溫度變化仿真結(jié)果，如圖6所示，輸出電壓不受影響，跳變點(diǎn)微小變化對(duì)報(bào)警影響不大。仿真結(jié)果證實(shí)所設(shè)計(jì)的預(yù)兆單元電路和預(yù)警方案是合理可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中把預(yù)警和健全管理(PHM)方法用于DC／DC轉(zhuǎn)換器抗輻射可靠性研究，研究了VDMOS器件和DC／DC轉(zhuǎn)換器之間的輻射損傷關(guān)系。結(jié)合輻射損傷關(guān)系和預(yù)兆單元技術(shù)原理設(shè)計(jì)了基于VDMOS器件損傷的DC／DC轉(zhuǎn)換器輻射預(yù)兆單元，仿真結(jié)果證實(shí)所設(shè)計(jì)的預(yù)兆單元可以對(duì)DC／DC轉(zhuǎn)換器輻射損傷失效提前報(bào)警。