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

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理。DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性關(guān)系到整個航天器的可靠性，國內(nèi)外廣泛研究了DC／DC轉(zhuǎn)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(shè)備，迫切需要尋找新方法來保證DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性。國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)換器拓撲結(jié)構(gòu)前提下，加入監(jiān)測單元，監(jiān)測易損器件或DC／DC轉(zhuǎn)換器參數(shù)，在DC／DC轉(zhuǎn)換器失效前報警，保證DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性。但還未見到將預(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，盡快采取措施減小輻射損傷失效帶來的損失。

1 預(yù)兆單元設(shè)計原理
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(yù)警信號。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(yù)兆單元在設(shè)備進入損耗區(qū)前做出判斷，向用戶發(fā)出警報。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)測參數(shù)的預(yù)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(yù)警的作用。
1．2 預(yù)兆單元設(shè)計理論依據(jù)
文中采用監(jiān)測參數(shù)的預(yù)兆單元，設(shè)計監(jiān)測參數(shù)的預(yù)兆單元關(guān)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(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。通過后續(xù)的電路分析可得敏感監(jiān)測參數(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撲結(jié)構(gòu)圖，采用脈寬調(diào)制器芯片(PWM)控制VDMOS器件的開關(guān)，VDMOS器件在轉(zhuǎn)換器中用作開關(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，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)閾值電壓負漂引起導(dǎo)電溝道開啟增大，漏端電流增大，DC／DC轉(zhuǎn)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(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定值時，功耗過大使效率低于規(guī)定標準，DC／DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器失效。設(shè)計監(jiān)測參數(shù)的預(yù)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。