宇航電源脈寬調(diào)制器單粒子效應(yīng)試驗研究

張倩倩，朱博威，馬 濤，趙 闖，王 儒

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100190；2.北京市空間電源變換與控制工程技術(shù)研究中心，北京100080）

0 引言

單粒子效應(yīng)是指空間高能帶電粒子入射到與數(shù)據(jù)或指令相關(guān)的微電子器件或電路，使之產(chǎn)生邏輯錯誤、功能異常乃至器件燒毀的現(xiàn)象[1-2]。宇航電源[3]上使用了大量的微電子器件和集成電路，這些器件和電路能否正常工作[4-5]決定宇航電源是否安全可靠，而電源故障有可能對航天器造成致命的影響[6-8]。

目前，星上載荷對供電電源提出越來越高的要求，如銣鐘、相機(jī)等要求供電電源在工作時不能出現(xiàn)瞬態(tài)掉電現(xiàn)象，而近年來發(fā)生了數(shù)起由于器件單粒子效應(yīng)導(dǎo)致載荷供電出現(xiàn)瞬態(tài)掉電的故障。已知宇航電源控制電路中的脈寬調(diào)制器（PWM）是單粒子效應(yīng)敏感器件，目前國內(nèi)常用的PWM型號有UC1825AL 和UC1825L，而器件手冊中未對這2款器件的抗單粒子效應(yīng)能力進(jìn)行說明。國外學(xué)者對不同型號的PWM 開展了單粒子效應(yīng)試驗研究，結(jié)果表明，單粒子效應(yīng)會導(dǎo)致PWM 的輸出占空比和頻率發(fā)生改變[9]；從PWM在宇航電源中的應(yīng)用機(jī)理分析，這2個參數(shù)的改變會直接影響電源模塊的正常工作。但目前國內(nèi)外關(guān)于PWM 單粒子效應(yīng)對宇航電源性能影響的研究文獻(xiàn)均較少。

本文搭建了基于上述2款PWM 器件的宇航電源驗證系統(tǒng)，利用重離子輻照試驗對宇航電源PWM器件的抗單粒子效應(yīng)能力進(jìn)行研究，包括對PWM的輸出占空比異常測試、頻率異常測試以及對電源關(guān)鍵性能指標(biāo)——輸出電壓異常的測試；并對應(yīng)用在電源模塊控制電路中的2款PWM 發(fā)生單粒子效應(yīng)后對宇航電源性能的影響機(jī)理進(jìn)行分析，以期為宇航電源控制芯片的選用提供參考。

1 試驗器件及測試系統(tǒng)

1.1 試驗器件

本研究選用的試驗器件分別為TI 公司的UC1825L 和UC1825AL，其中，UC1825L是一款高速PWM，實際工作頻率可達(dá)1 MHz，可同時實現(xiàn)電壓環(huán)和電流環(huán)控制模式；UC1825AL 是UC1825L的改進(jìn)版，在過流保護(hù)功能上進(jìn)行了改進(jìn)，短路保護(hù)熱耗較小[10-11]。

1.2 試驗測試系統(tǒng)

本次試驗共有2套電源模塊試驗裝置，分別針對上述2款器件進(jìn)行測試。試驗裝置采用雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主路輸出電壓為19 V，其中電源模塊主要由浪涌抑制電路、EMI濾波器、DC/DC變換器、濾波電路和控制電路等組成，試驗器件（UC1825L和UC1825AL）位于電源模塊的控制電路中。電源模塊功能框圖如圖1所示。

圖1 電源模塊功能框圖Fig.1 Functional diagram of the power supply unit

器件測試用重離子輻照試驗測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由試驗裝置、程控電源以及遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備等組成。輻照束流源為回旋加速器HIRFL，粒子種類為Ta 離子（LET 值為79.24 MeV·cm2/mg）和Al 離子（LET值為8.4 MeV·cm2/mg），其中，Ta 離子能量為1 602.6 MeV，射程為94.15μm，注量率為4×103～1.6×104cm-2·s-1，總注量在3×106～107cm-2，該參數(shù)由重離子實驗室根據(jù)實際情況確定。

圖2 重離子輻照試驗測試系統(tǒng)Fig.2 The heavy ion irradiation test system

2 重離子輻照試驗測試方法及測試結(jié)果

2.1 測試方法

先分別將頂端開帽的UC1825L 和UC1825AL芯片分別焊接在2套試驗電源模塊控制電路中，并檢測芯片功能；然后將電源模塊固定在三維定位平臺上，配合聚焦系統(tǒng)調(diào)整好芯片位置；電源模塊供電工作，遠(yuǎn)程監(jiān)控電源輸出的示波器波形，重離子輻照至注量累積到107cm-2；試驗器件發(fā)生單粒子效應(yīng)后，停止重離子輻照，但保持繼續(xù)供電，觀測芯片輸出波形是否正常。

2.2 測試結(jié)果

采用Al離子輻照UC1825AL 后，器件發(fā)生了功能中斷，電源模塊輸出電壓由19 V 跌至50%以下，PWM輸出占空比出現(xiàn)了數(shù)十個周期丟失，頻率也出現(xiàn)異常，如圖3所示。圖中，通道1為19 V 輸出電壓波形，通道2為控制芯片輸出PWM 波形，通道3為SS緩啟腳波形。試驗結(jié)果表明：PWM的輸出占空比異常和頻率異常導(dǎo)致了電源模塊輸出電壓異常；停止重離子輻照后，PWM 輸出脈沖恢復(fù)正常，電源模塊輸出電壓恢復(fù)正常，說明PWM單粒子效應(yīng)引起的電源模塊異?？呻S著離子束注入的停止而消失。

采用Ta 離子輻照UC1825L 后，器件未發(fā)生功能中斷，電源模塊輸出電壓無明顯變化，如圖4所示，表明UC1825L的抗單粒子效應(yīng)能力優(yōu)于UC1825AL。

圖3 UC1825AL 的單粒子效應(yīng)波形Fig.3 Waveform illustrating single event effect on UC1825AL

圖4 UC1825L 的單粒子效應(yīng)波形Fig.4 Waveform illustrating single event effect on UC1825L

3 PWM 單粒子效應(yīng)機(jī)理分析

宇航電源模塊控制電路所使用UC1825AL 和UC1825L 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖分別如圖5和圖6所示。電路包括基準(zhǔn)源、頻率源、運(yùn)算放大器、鎖存器等，輸出PWM為圖騰柱輸出，峰值電流達(dá)1.0 A。該控制器能夠提供欠壓鎖定（8.4 V）、電流檢測和緩啟動等功能[12-13]。電源開關(guān)管工作頻率設(shè)計為200 kHz 左右。

芯片電路中的SS（soft start）腳為緩啟引腳，通過外接電容C實現(xiàn)電源模塊的緩啟動。該緩啟電路可以減小啟動瞬間啟動電流對輸入電容、濾波電感和輸出儲能電容等元器件的電應(yīng)力沖擊?？刂菩酒与姾?，內(nèi)部電路對緩啟電容C充電，UC1825AL充電電流為14μA，UC1825L 充電電流為9μA；SS引腳電壓緩慢上升，當(dāng)電壓高于1.2 V 時，PWM開始輸出，并隨著SS端電壓的上升逐漸變寬，輸出電壓從0 V 開始建立到額定值；SS端電壓上升到1.6 V 左右電源完成啟動，之后SS端電壓繼續(xù)上升到5 V 保持不變，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作。

圖5 UC1825AL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Schematic diagram of internal structure of UC1825AL

圖6 UC1825L 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of internal structureof UC1825L

當(dāng)高能粒子轟擊UC1825AL中的重啟延時鎖存器（圖5中以紅色方框及字母A 標(biāo)注）和Fault 鎖存器時，將導(dǎo)致鎖存器輸出翻轉(zhuǎn)，PWM無輸出，電源掉電；同時SS端通過內(nèi)部電路放電，放電電流為250μA，如圖7所示。當(dāng)電壓低于0.2 V 時，PWM 的SS端開始二次充電，電源模塊進(jìn)入緩啟動過程；當(dāng)SS端電壓達(dá)到1.2 V 時，PWM開始輸出，并隨著SS端電壓的上升逐漸變寬，輸出電壓從0 V 開始建立到額定值，電源完成重新啟動[14-15]。由于電源設(shè)計中采用控制電路獨(dú)立供電方式，所以開機(jī)后只要母線電壓正常，PWM 的供電電壓就始終存在，電源重啟后輸出電壓正常建立。

單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）是指單個高能粒子射入半導(dǎo)體器件敏感區(qū)，使器件邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即原來的“0”變?yōu)椤?”，或者“1”變?yōu)椤?”，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功能紊亂。上述UC1825AL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖分析結(jié)果表明，PWM的輸出占空比異常和頻率異常是由于芯片內(nèi)部鎖存器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的，從而可以確定重離子輻照試驗時UC1825AL 發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖7 UC1825AL的緩啟和故障脈沖波形Fig.7 Soft start and fault pulse waveform of UC1825AL

本研究的試驗測試系統(tǒng)中，電源模塊中UC1825AL 的SS端外接電容C的容值C=0.363μF（偏差±10%），由UC1825AL 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖（圖5）可推演出該電容的充放電等效電路（如圖8所示）。電容通過芯片內(nèi)部自帶的250μA 恒流源進(jìn)行放電，根據(jù)I=C×dV/dt，PWM的SS端電壓在250μA放電電流下由5 V 下降至0.2 V 需要的時間t=C×ΔV/Ia=7 ms；PWM復(fù)位后SS端通過芯片內(nèi)部自帶的14μA 恒流源二次充電，SS端電壓上升至1.2 V后PWM輸出脈沖恢復(fù)，繼續(xù)上升至1.6 V 左右電源完成啟動，電壓從0.2 V 上升至1.6 V 所需的時間t=C×ΔV/Ib=36.3 ms；考慮外接電容的偏差，整個充電過程大概持續(xù)38.9～47.6 ms。也就是說，如果UC1825AL 發(fā)生單粒子效應(yīng)，考慮輸出電容的儲能作用，脈沖消失后輸出電壓緩慢降為0 V（用時約1～2 ms），即電源模塊可能會出現(xiàn)約40～50 ms輸出電壓下跌的情況。

圖8 SS腳緩啟電容充放電等效電路Fig.8 Charging and discharging circuit of the capacitor in soft start pin

當(dāng)高能粒子轟擊UC1825AL中的其他鎖存器以及運(yùn)算放大器時，器件輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，PWM信號丟失，但不會觸發(fā)UC1825AL 復(fù)位重啟[16]。一般鎖存器和運(yùn)算放大器的單粒子效應(yīng)持續(xù)時間為2μs左右，按開關(guān)頻率200 kHz 計算，PWM信號丟失1個脈沖，電源模塊輸出電容為100μF，負(fù)載電路按1 A 計算，則輸出電壓下降幅值為ΔV=I×t/C=0.05 V，不會影響電源模塊的正常供電。

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，UC1825L中沒有上述導(dǎo)致UC1825AL 在發(fā)生單粒子效應(yīng)時觸發(fā)芯片復(fù)位重啟的2個鎖存器，因此不會出現(xiàn)功能中斷影響電源模塊正常供電的現(xiàn)象，這也是UC1825L 在重離子輻照試驗中表現(xiàn)優(yōu)于UC1825AL 的原因。同時，從上述分析可知，UC1825AL發(fā)生單粒子效應(yīng)導(dǎo)致電源模塊出現(xiàn)供電異常的持續(xù)時間與緩啟腳SS外接電容的容值C有關(guān)——C越大，掉電時間越長。因此，在宇航應(yīng)用時，為了降低PWM單粒子效應(yīng)對電源模塊的影響，應(yīng)在滿足性能指標(biāo)要求的情況下，盡量減小C的取值。另外，為了使UC1825AL發(fā)生單粒子效應(yīng)時電容C的放電速率盡量緩慢，以降低其對電源供電性能的影響，可以在減小電容C容值的同時，額外增加阻容串聯(lián)電路，解決電源模塊由于單粒子效應(yīng)而掉電的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

利用回旋加速器HIRFL對控制芯片UC1825L和UC1825AL 進(jìn)行的重離子輻照試驗表明：在采用不同LET值的重離子輻照時，由于芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的差異，單粒子效應(yīng)會導(dǎo)致UC1825AL的輸出占空比和頻率發(fā)生異常，UC1825AL發(fā)生了功能中斷，而UC1825L 未出現(xiàn)功能中斷，說明UC1825L的抗單粒子效應(yīng)能力優(yōu)于UC1825AL；控制芯片功能中斷會對宇航電源供電的持續(xù)性產(chǎn)生一定影響，電源掉電時間由SS腳外接電容的容值決定。另外，雖然UC1825L 的抗單粒子效應(yīng)能力更強(qiáng)，但考慮到其短路功耗較大，實際選用時須根據(jù)衛(wèi)星載荷特性要求綜合考量。