VDMOS器件損傷的DC/DC轉換器輻射預兆單元設計

航天用DC／DC轉換器工作在太空輻射環(huán)境下，輻射損傷是其主要失效機理。DC／DC轉換器的可靠性關系到整個航天器的可靠性，國內(nèi)外廣泛研究了DC／DC轉換器輻射損傷失效機理、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備，迫切需要尋找新方法來保證DC／DC轉換器的可靠性。

國外研究人員提出把預兆單元技術用于DC／DC轉換器，在不改變DC／DC變轉換器拓撲結構前提下，加入監(jiān)測單元，監(jiān)測易損器件或DC／DC轉換器參數(shù)，在DC／DC轉換器失效前報警，保證DC／DC轉換器的可靠性。但還未見到將預兆單元技術用于DC／DC轉換器抗輻射可靠性研究。文中通過輻射失效物理和DC／DC轉換器電氣傳輸關系分析，建立VDMOS器件輻射損傷敏感參數(shù)與DC／DC轉換器關鍵敏感參數(shù)之間的輻射損傷關系。依據(jù)輻射損傷關系設計預兆單元，在DC／DC轉換器發(fā)生故障之前發(fā)出預警信號，盡快采取措施減小輻射損傷失效帶來的損失。

1 預兆單元設計原理

1．1 預兆單元技術原理

電子產(chǎn)品預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。預兆單元電路和宿主電路工作在相同的應力和環(huán)境條件下，預兆單元電路采集宿主電路所在的環(huán)境信息或實時監(jiān)測宿主電路的某項參數(shù)，在宿主電路失效前發(fā)出預警信號。預兆單元技術的核心思想由可靠性浴盆曲線，如圖1所示，說明浴盆曲線分為3個區(qū)域，第一個區(qū)為早期失效區(qū)，失效率較高。第二個階段為偶然失效區(qū)，失效率較低。第三個階段為損耗失效區(qū)，失效率明顯上升，大部分產(chǎn)品的壽命將終止。預兆單元在設備進入損耗區(qū)前做出判斷，向用戶發(fā)出警報。預兆單元可分為兩種，一種是加速壽命的預兆單元；一種是監(jiān)測參數(shù)的預兆單元，選取電路或器件敏感且容易監(jiān)測的參數(shù)，通過在線監(jiān)測該參數(shù)的變化達到預警的作用。


1．2 預兆單元設計理論依據(jù)

文中采用監(jiān)測參數(shù)的預兆單元，設計監(jiān)測參數(shù)的預兆單元關鍵是確定敏感易監(jiān)測的參數(shù)，然后建立監(jiān)測參數(shù)與DC／DC轉換器輻射損傷關系。DC／DC轉換器輻射失效模式主要有輸出電壓漂移、轉換效率下降、輸出紋波增大、線性調(diào)整率和負載調(diào)整率增大等。電離輻射效應在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失效模式有閾值電壓漂移、跨導退化、漏電流增加等。通過后續(xù)的電路分析可得敏感監(jiān)測參數(shù)和輻射損傷關系。

圖2所示是一單端反激變換器的典型拓撲結構圖，采用脈寬調(diào)制器芯片(PWM)控制VDMOS器件的開關，VDMOS器件在轉換器中用作開關作用。


(1)輻射后，VDMOS器件閾值電壓負漂，當VDMOS器件閾值電壓低于PWM輸出電壓低電平時，VDMOS器件不能關斷，變壓器不能傳輸能量，輸出電壓急劇下降，轉換器徹底失效；(2)閾值電壓負漂引起導電溝道開啟增大，漏端電流增大，DC／DC轉換器功耗增加而失效，國內(nèi)外也有相似的報道。對于第一種失效模式，選取VDMOS器件的閾值電壓和DC／DC轉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)。輻射損傷引起的導通損耗開關損耗總損耗分別如式(1)～式(3)所示。



當閾值電壓負漂到一個定值時，功耗過大使效率低于規(guī)定標準，DC／DC轉換器失效。由上面兩種失效模式分析可知，當閾值電壓負漂到一個確定值時，DC／DC轉換器失效。設計監(jiān)測參數(shù)的預兆單元，就是監(jiān)測VDMOS器件閾值電壓，在閾值電壓還未達到失效點時，發(fā)出報警信號。

2 預兆單元設計

2．1 預警方案選取

針對上述兩種失效模式，選取合適的預警方案，在DC／DC轉換器中加人預兆單元，加入預兆單元后的DC／DC轉換器結構，如圖3所示。報警信號采用低電位向高電位的跳變，為此設計合理的預兆單元電路，在轉換器將要失效時，輸出信號由低電平變?yōu)楦唠娖健?


2．2 單元電路設計

根據(jù)前文所述預兆單元技術原理，監(jiān)測參數(shù)的預兆單元電路應包括下面3部分。(1)VDMOS器件損傷情況監(jiān)測電路；(2)監(jiān)測信號放大電路；(3)輸出電路。下面分別介紹各個功能部分的設計過程。(1)輻射損傷監(jiān)測電路。通過R1和R2給監(jiān)測器件固定柵偏壓，這個柵偏壓是報警閾值點。當監(jiān)測器件閾值電壓負漂到固定柵偏壓時，監(jiān)測器件導通；(2)監(jiān)測信號放大電路。在監(jiān)測器件的上電位加一負載，負載是電阻或p型MOSFET有源負載，負載和監(jiān)測器件構成放大器，監(jiān)測器件閾值電壓負漂到報警閾值點時，Vsense由高電平轉化為低電平；(3)輸出電路。輸出電路采用抗輻射加固的反相器實現(xiàn)。

抗輻射加固反相器，如圖4所示，增加一個上拉p型MOSFET(p1)，并在n型MOSFET下面引入一個額外的n型MOSFET(n1)。當輸入為高電平時，p1MOSFET關斷，n1MOSFET開啟，原始的反相器工作不受影響。當輸入為低電平時，plMOSFET起上拉作用，使p1MOSFET和n1MOSFET漏端連接點處于高電平，因此n型MOSFET能更有效的關閉。n型MOSFET源漏電壓減小，降低了漏電流，經(jīng)過輻射后，輸出仍能保持在Vcc附近。整體電路，如圖4所示，當VDMOS器件輻射損傷達到一定程度時，監(jiān)測信號經(jīng)過放大和輸出電路最終輸出高電平信號。