DC／DC輻照損傷與VDMOS器件1／f噪聲相關(guān)性研究
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
大量的研究表明，低頻噪聲除了與產(chǎn)品性能有關(guān)之外，還與產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性密切相關(guān)。國內外出現了一系列使用低頻噪聲特別是1/f噪聲表征器件可靠性的方法，這些器件不僅包括二極管、三極管、MOS管、厚膜電阻、薄膜電阻、鉭電容器等簡(jiǎn)單器件，還包括集成運算放大器、DSP等復雜電路的模塊。通過(guò)對這些簡(jiǎn)單器件和復雜器件低頻噪聲的測量，人們建立了許多低頻噪聲模型以及表征方法，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現，低頻噪聲特別是1/f噪聲與各類(lèi)電子器件的可靠性密切相關(guān)。1/f噪聲能夠用于可靠性表征的原因在于產(chǎn)生1／f噪聲的缺陷與影響器件可靠性的缺陷是相同的。
DC／DC轉換器的可靠性很大程度上依賴(lài)于其結構中的PWM、VDMOS器件(vertical conductiondouble scattering metal oxide semiconductors)、肖特基二極管及其光電耦合器等器件，大量的研究工作已證明，低頻噪聲可以表征這些單個(gè)器件的可靠性。本文通過(guò)對DC／DC轉換器低頻1／f噪聲的測量來(lái)表征輻照損傷，并初步探究輻照損傷與內部的VDMOS器件的1／f噪聲相關(guān)性。
1 DC／DC轉換器的低頻噪聲測量
圖1為一個(gè)典型的單端輸出隔離式DC／DC轉換器原理圖。
如圖1中的虛線(xiàn)部分所示，DC／DC轉換器的輸入端和輸出端正負回路之間會(huì )產(chǎn)生寄生電容，從而產(chǎn)生干擾噪聲。為了避免寄生電容產(chǎn)生的干擾，可在DC／DC轉換器噪聲測量電路中加入旁路電容，從而消除干擾噪聲。測試電路如圖2所示。圖2中的電容C1、C2用以消除干擾，C3用以隔離輸出直流電壓信號。低頻噪聲電壓信號通過(guò)C3，經(jīng)低頻噪聲前置放大器后，進(jìn)入數據采集卡，再由微機系統進(jìn)行數據處理和分析。
需要注意的是，由于DC／DC轉換器通常具有較大的輸入范圍和功率，因此在設計偏置電路時(shí)應特別注意輸入端分壓電阻和輸出端負載電阻的功率大小，如選擇不慎，則易燒毀電阻，通常選擇的原則如下
2 DC／DC轉換器電離輻照實(shí)驗
2．1 輻照實(shí)驗方案
衛星、航天器等空間設備處于空間輻射環(huán)境中，空間輻射是誘發(fā)航天器異?；蛘吖收系闹饕蛑?。歐洲航天局的報告指出，衛星等航天器的反?，F象中，有33％是由于輻射誘發(fā)產(chǎn)生的。因此，電子器件的輻射損傷特性和抗輻射加固一直是國內外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本次實(shí)驗方案參照美軍標MIL-STD-883E標準和歐洲航天局有關(guān)實(shí)驗方案設計。輻照源采用鈷60，輻照射線(xiàn)為γ射線(xiàn)，輻照劑量率為5．70 rad(Si)／s，輻照初始劑量20 krad(Si)，輻照步長(cháng)為10 krad(Si)，輻照累計總劑量為50 krad(Si)。
實(shí)驗樣品采用沒(méi)有經(jīng)過(guò)抗輻照加固的DC／DC轉換器，型號為BUP-3W24S5，樣品B為普軍級，樣品A為商用級，輸入電壓為18～32 V，額定功率為3 W，額定輸入電壓為5 V。輻照前后分別測量DC／DC轉換器在24 V和32 V輸入電壓下的Iin、Vout、Iout等常規電參數及其低頻噪聲，樣品所加負載從10％額定負載到100％額定負載，步長(cháng)為10％額定負載進(jìn)行調節。噪聲測試系統采用西安電子科技大學(xué)噪聲及無(wú)損檢測實(shí)驗室自主研發(fā)的基于虛擬儀器的電子器件低頻噪聲測試系統(圖2)，分別對輻照前后的DC／DC轉換器樣品進(jìn)行低頻噪聲測試。
2．2 實(shí)驗數據分析
隨著(zhù)輻照劑量的增加，樣品的電性能不斷退化，商用級樣品器件在輻照20 krad(Si)時(shí)即徹底損壞；普軍級樣品器件在40 krad(Si)以上劑量時(shí)，完全失效。普軍級樣品器件在40 krad(Si)以下輻照劑量時(shí)輸出電壓，轉換效率等電參數的實(shí)驗前后變化如圖3所示。
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