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(guān)系到整個(gè)航天器的可靠性，國內外廣泛研究了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(zhù)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(lái)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(shù)用于DC／DC轉換器，在不改變DC／DC變轉換器拓撲結構前提下，加入監測單元，監測易損器件或DC／DC轉換器參數，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(jiàn)到將預兆單元技術(shù)用于DC／DC轉換器抗輻射可靠性研究。文中通過(guò)輻射失效物理和DC／DC轉換器電氣傳輸關(guān)系分析，建立VDMOS器件輻射損傷敏感參數與DC／DC轉換器關(guān)鍵敏感參數之間的輻射損傷關(guān)系。依據輻射損傷關(guān)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(lái)的損失。

1 預兆單元設計原理
1．1 預兆單元技術(shù)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(shí)時(shí)監測宿主電路的某項參數，在宿主電路失效前發(fā)出預警信號。預兆單元技術(shù)的核心思想由可靠性浴盆曲線(xiàn)，如圖1所示，說(shuō)明浴盆曲線(xiàn)分為3個(gè)區域，第一個(gè)區為早期失效區，失效率較高。第二個(gè)階段為偶然失效區，失效率較低。第三個(gè)階段為損耗失效區，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(jìn)入損耗區前做出判斷，向用戶(hù)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；一種是監測參數的預兆單元，選取電路或器件敏感且容易監測的參數，通過(guò)在線(xiàn)監測該參數的變化達到預警的作用。
1．2 預兆單元設計理論依據
文中采用監測參數的預兆單元，設計監測參數的預兆單元關(guān)鍵是確定敏感易監測的參數，然后建立監測參數與DC／DC轉換器輻射損傷關(guān)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(xiàn)性調整率和負載調整率增大等。電離輻射效應在MOS系統中產(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(guò)后續的電路分析可得敏感監測參數和輻射損傷關(guān)系。
圖2所示是一單端反激變換器的典型拓撲結構圖，采用脈寬調制器芯片(PWM)控制VDMOS器件的開(kāi)關(guān)，VDMOS器件在轉換器中用作開(kāi)關(guān)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(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，轉換器徹底失效；(2)閾值電壓負漂引起導電溝道開(kāi)啟增大，漏端電流增大，DC／DC轉換器功耗增加而失效，國內外也有相似的報道。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。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。輻射損傷引起的導通損耗開(kāi)關(guān)損耗總損耗分別如式(1)～式(3)所示。

當閾值電壓負漂到一個(gè)定值時(shí)，功耗過(guò)大使效率低于規定標準，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(gè)確定值時(shí)，DC／DC轉換器失效。設計監測參數的預兆單元，就是監測VDMOS器件閾值電壓，在閾值電壓還未達到失效點(diǎn)時(shí)，發(fā)出報警信號。