基于DC/DC變換器的單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)及應(yīng)用

劉小為

（中國電子科技集團(tuán)第四十三研究所，合肥 230088）

引言

隨著我國航天事業(yè)的高速發(fā)展，對高性能、高可靠、小型化同時具備抗空間輻照DC/DC變換器的需求十分迫切。單粒子效應(yīng)是空間輻射環(huán)境中的高能質(zhì)子、重離子、α粒子和中子等與半導(dǎo)體器件或集成電路相互作用后，器件或電路會出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子閂鎖、單粒子?xùn)糯?、單粒子燒毀等異?，F(xiàn)象[1]。如果DC/DC變換器受輻照影響致使輸出電壓發(fā)生改變，將會直接影響電路其他部分的正常工作，因此，迫切需要解決DC/DC變換器的單粒子效應(yīng)問題。

通常以地面模擬環(huán)境試驗(yàn)或衛(wèi)星搭載方式來研究DC/DC變換器的抗輻照性能，DC/DC變換器單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)是研究抗輻照DC/DC變換器及核心器件加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和可信度直接關(guān)系著航天電子器件在軌長期運(yùn)行的可靠性，而這些數(shù)據(jù)均需要測試系統(tǒng)完成。因此，為了更好地開展好DC/DC變換器單粒子試驗(yàn)，必須要研究其單粒子測試系統(tǒng)，以滿足航天工程對抗輻照DC/DC變換器的技術(shù)研究與應(yīng)用。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

自從1978年P(guān)ickel和Blandford確認(rèn)了單粒子的存在后，1979年Kolasinski W A等人發(fā)現(xiàn)單個高能粒子能引起COMS器件發(fā)生閉鎖，1986年Waskiewicz A E等人發(fā)現(xiàn)單個高能粒子還能引起MOS器件發(fā)生單粒子燒毀，1987年Fischer T A等人又發(fā)現(xiàn)單粒子?xùn)糯┑萚2-4]，單粒子效應(yīng)一度成為研究熱點(diǎn)。與此同時，國外開展了大量DC/DC變換器的抗單粒子輻射技術(shù)研究，例如P.C.Adell等人關(guān)于DC/DC變換器單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)的測試方法、測試結(jié)果分析及模型仿真方面的研究，L.Sterpone等人注入模擬法的研究等[5,6]。

與國外相比，國內(nèi)對DC/DC變換器單粒子效應(yīng)的研究相對較晚，針對DC/DC變換器單粒子效應(yīng)的測試，當(dāng)今國內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的試驗(yàn)方法。目前針對DC/DC變換器單粒子效應(yīng)的測試裝置主要有以下兩種方案：一是僅采用示波器進(jìn)行高低電平的閾值設(shè)定進(jìn)行單次觸發(fā)捕捉單粒子效應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)象，但是此方法無法對效應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)；二是使用集成的數(shù)據(jù)記錄儀，但是由于采樣速率的制約，不能滿足信號高速采集的要求。此外，上述兩種方案，人員在試驗(yàn)中途要多次進(jìn)入輻照室進(jìn)行手動切換樣品以及上電加載，致使試驗(yàn)效率低。為了避免現(xiàn)有DC/DC變換器單粒子測試技術(shù)的不足，本文研究一種DC/DC變換器單粒子試驗(yàn)的自動化測試系統(tǒng)。

2 測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

整個測試系統(tǒng)采用先進(jìn)的PXI工業(yè)計(jì)算機(jī)總線和模塊化硬件設(shè)備，如圖1所示，系統(tǒng)硬件由便攜集成采集控制設(shè)備、信號控制接線盒、DC/DC變換器夾具、程控電源、電子負(fù)載、PC機(jī)等硬件組成。系統(tǒng)硬件主要采集單元和控制單元兩部分組成，采集單元由8通道的PXI總線模塊化高速采集卡構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)信號（Vp-p在30 V以內(nèi)）高達(dá)60 MS/s采樣率的實(shí)時采集；控制單元由PXI控制卡和信號控制接線盒構(gòu)成，控制電子負(fù)載、程控電源和夾具，以實(shí)現(xiàn)樣品片選、加載等。同時，采用PXI實(shí)時控制器通過千兆以太網(wǎng)接口與遠(yuǎn)程上位計(jì)算機(jī)通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測試。為了提高試驗(yàn)效率，在不釋放靶室真空的情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了被試被試品的自動片選功能，通過開發(fā)智能信號控制單元，智能控制繼電器開關(guān)以實(shí)現(xiàn)單粒子效應(yīng)試驗(yàn)過程的被試品自動電源設(shè)定及加載測試，同時配置不同顏色的信號燈及信號編碼，以指示片選被試樣品。

圖1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件

針對DC/DC變換器單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，開發(fā)一套單粒子效應(yīng)試驗(yàn)自動化測試軟件。如圖2所示，系統(tǒng)軟件功能由通訊軟件單元、測量顯示單元、計(jì)算單元組成、控制軟件單元組成。系統(tǒng)實(shí)時讀取DC/DC變換器單粒子效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。系統(tǒng)軟件提供友好的人機(jī)界面以及各模塊化子控制界面，軟件流程圖如圖3所示，軟件實(shí)現(xiàn)測試樣品的數(shù)據(jù)自動高速采集、自動片選、自動加載、自動電源設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)回放等功能。

圖2 系統(tǒng)軟件功能單元

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

2.3 系統(tǒng)工作原理

測試系統(tǒng)使用時，先將DC/DC變換器裝夾在DC/DC變換器夾具上，連接好程控電源，同時將電子負(fù)載與信號控制接線盒連接。開啟電源后，試樣被試品開始工作，被試品輸出的電參數(shù)通過信號調(diào)理后，送往PXI采集卡及便攜式集成采集控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電參數(shù)的高速采集。通過DC/DC變換器單粒子試驗(yàn)開發(fā)的自動測試軟件，啟動、復(fù)位、配置測試系統(tǒng)，在軟件測量主界面上實(shí)時顯示采集的電參數(shù)變化、實(shí)時計(jì)算電參數(shù)跳變的次數(shù)、實(shí)時計(jì)算電參數(shù)跳變的脈寬、實(shí)時計(jì)算電參數(shù)跳變的幅度。通過上位PC機(jī)遠(yuǎn)程訪問便攜集成采集控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線檢測、記錄、分析、監(jiān)測DC/DC變換器單粒子效應(yīng)試驗(yàn)全過程。

2.4 系統(tǒng)測試方法

結(jié)合加速器裝置出重離子以及單粒子效應(yīng)測試試驗(yàn)本身特點(diǎn)，系統(tǒng)在進(jìn)行被試樣品的的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)自動化測試時，如圖4所示，樣品測試如下方法和步驟開展試驗(yàn)、測試及分析等。

圖4 系統(tǒng)測試程序

1）試驗(yàn)前被試品的全參數(shù)及功能測試，開帽后，被試被試品在進(jìn)行一次功能測試，連接好被試品夾具及真空測試盒，初始化測試系統(tǒng)。

2）測試系統(tǒng)的安裝調(diào)試，關(guān)閉輻照間門后，復(fù)驗(yàn)一次測試系統(tǒng)，配置數(shù)據(jù)采集參數(shù)（采樣、閾值設(shè)定、存儲路徑）。

3）根據(jù)試驗(yàn)條件要求調(diào)諧束流，確保注量率、均勻性及光斑條件滿足要求，通過測試界面上的按鈕片選一只被試品，并通過自動加載按鈕給被試品上電，開始輻照。

4）運(yùn)行測試系統(tǒng)，監(jiān)測被試品輸出電參數(shù)，實(shí)時記錄發(fā)生的試驗(yàn)現(xiàn)象，在輻照期間，被監(jiān)測器件輸出電壓超出其設(shè)定閾值范圍時，則記錄相關(guān)脈沖產(chǎn)生的次數(shù)和寬度，當(dāng)脈沖寬度明顯大于正常紋波寬度，則記錄一次單粒子瞬態(tài)SET。當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)最大值時，記錄一次單粒子鎖定SEL，當(dāng)發(fā)生輸出電壓異常，但電流未明顯增大，且被試器件不重啟，無法恢復(fù)正常，則記錄一次單粒子功能終止SEFI，當(dāng)發(fā)生輸出電壓值跌至零附近，且被試器件重啟，仍無法恢復(fù)正常，則記錄一次單粒子燒毀SEB，當(dāng)發(fā)生SEB或者注量達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的要求時，停止試驗(yàn)，完成第一塊被試品的第一種離子輻照試驗(yàn)。

5）按照上述方法，進(jìn)行第2塊至第N塊被試品順序依次進(jìn)行自動上電加載，監(jiān)測每塊被試品的輸出電參數(shù)，直到N只樣品試驗(yàn)完成后，結(jié)束第一輪第一種重離子試驗(yàn)，切換重離子種類，然后進(jìn)行第二輪試驗(yàn)第二種重離子，以此類推完成試驗(yàn)規(guī)定的所有離子輻照試驗(yàn)。

6）結(jié)束測試試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，按照線性能量傳輸值的大小，分別統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)樣品發(fā)生SET、SEL、SEFI的次數(shù)及對應(yīng)重離子的注量，繪制單粒子效應(yīng)界面與線性能量傳輸值關(guān)系圖。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證

利用加速器束流產(chǎn)生的重離子107Ag13,25+（表面LET值為58.8 MeV.cm2/mg，在Si中射程為30.7 um）模擬輻照環(huán)境，使用該測試系統(tǒng)對混合集成電路DC/DC變換器6只樣品進(jìn)行測試試驗(yàn)（分別為XX-D5、XX-T512、XX-S3，各2只），為了確定DC/DC變換器內(nèi)部器件的單粒子敏感特性，本次測試試驗(yàn)只對DC/DC變換器內(nèi)部有源器件進(jìn)行連續(xù)輻照。

如圖5所示，將裝夾好樣品的輻照板安裝在真空靶室內(nèi)，通過激光定位，單粒子束被聚焦到被測元器件上。連接好樣品、夾具及測試盒，初始化測試系統(tǒng)，靶室封蓋前復(fù)驗(yàn)測試系統(tǒng)，配置數(shù)據(jù)采集參數(shù)（采樣、閾值、存儲路徑等設(shè)定）；通過系統(tǒng)軟件片選樣品，自動上電加載工作，開始單粒子測試試驗(yàn)。

圖5 測試系統(tǒng)抗輻照試驗(yàn)現(xiàn)場應(yīng)用

試驗(yàn)首先對三類混合集成電路DC/DC變換器樣品內(nèi)部6個MOS管分別進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試，測試系統(tǒng)記錄的結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，MOS管X-740發(fā)生單粒子瞬態(tài)（以下稱SET）次數(shù)最多，MOS管X-740相比MOS管X-840和MOS管X-2620抗單粒子輻照性能欠佳，它對單粒子較為敏感。從圖6至圖7看出，當(dāng)輻照DC/DC變換器內(nèi)部MOS管時，DC/DC變換器發(fā)生SET，其輸出電壓跳變電壓幅度較大，瞬變時間變毫秒量級。

表1 MOS管單粒子效應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

圖6為輻照MOS管2620時，2#DC/DC變換器D5電壓變化圖形，從圖6可以看出瞬變電壓幅度A在3.04~5.26 V之間，瞬變持續(xù)時間T為2.9 ms。

圖6 輻照XX-D5的MOS管發(fā)生SET波形

圖7為輻照MOS管840時，14#DC/DC變換器T512電壓變化圖形，從圖7可以看出瞬變電壓幅度A在3.9~5.3 V之間，瞬變持續(xù)時間T為12 ms。

圖7 輻照XX-T512的MOS管發(fā)生SET波形

圖8 為輻照MOS管740時，15#DC/DC變換器S3在發(fā)生多次SET后，樣品無輸出，關(guān)電后，重新啟動，輸出正常，因此判斷發(fā)生DC/DC變換器發(fā)生單粒子功能中斷（以下稱SEFI），瞬變電壓幅度A從3.3跌到0 V，跌落持續(xù)時間T約為10 ms。

圖8 輻照XX-S3的MOS管發(fā)生SEFI波形

其次，對DC/DC變換器XX-T512內(nèi)部PWM和PAM芯片分別進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，檢測DC/DC變換器的輸出，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，結(jié)合表1可以看出與PWM1843和MOS管840相比，PAM1901發(fā)生SET次數(shù)較多，但是兩只樣品在整個試驗(yàn)過程中是一直工作正常。

表2 PWM和PAM單粒子效應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

圖9是輻照PWM1843芯片時，14#DC/DC變換器T512電壓變化圖形，從圖6中可以看出，在0.6 s時間內(nèi)，輸出電壓發(fā)生了3次SET現(xiàn)象，瞬變電壓幅度A在4.3~5.17 V之間，瞬變持續(xù)時間T為10 ms以內(nèi)。

圖9 輻照XX-T512的PWM發(fā)生SET波形

圖10是輻照PAW1901芯片時，14#DC/DC變換器T512電壓變化圖形，從圖中可以看出，在0.9 s時間內(nèi)，輸出電壓發(fā)生了6次SET現(xiàn)象，瞬變電壓幅度A在4.87~5.07 V之間，瞬變持續(xù)時間T最長在2 ms以內(nèi)。

圖10 輻照XX-T512的PAM時發(fā)生SET波形

不難看出，對于DC/DC變換器XX-T512，其內(nèi)部敏感器件為PAM、MOS、PWM，其中PAM對單粒子效應(yīng)最為敏感，PWM次之，MOS管抗單粒子效應(yīng)能力最強(qiáng)，因此，針對DC/DC變換器T512，需要進(jìn)一步提高PWM和PAM的加固性能，以提升此款DC/DC變換器的抗單粒子輻照能力。

最后，對DC/DC變換器XX-S3內(nèi)部比較器X-158芯片進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，檢測DC/DC變換器的輸出，試驗(yàn)結(jié)果如下表3所示，結(jié)合表1可以看出與MOS管740相比，輻照X-158發(fā)生時，該款DC/DC變換器發(fā)生SET次數(shù)較多，在發(fā)生多次SET后，樣品輸出電壓跌為0V，如圖11所示。關(guān)電后，重新啟動，19#產(chǎn)品輸出正常，因此判斷19# XX-S3發(fā)生SEFI；但15#產(chǎn)品仍然無輸出，因此判斷15#XXX-S3發(fā)生單粒子損壞（SEB）。

圖11 輻照XX-S3型DC/DC變換器X-158發(fā)生SEFI波形

表3 比較器單粒子效應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

通過對表3和圖11的分析，可以看出對D XX-S3型C/DC變換器，X-158比較器較X-740MOS管更為敏感，因此對于這款DC/DC變換器，要對比較器進(jìn)行加固或者選擇加固性能較好的比較器，以提升此款DC/DC變換器整體抗單粒子性能。

混合集成電路DC/DC變換器輻照試驗(yàn)中，單粒子測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動高速數(shù)據(jù)采集、自動片選、自動加載、自動電源設(shè)定、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、采集實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)回放功能于一體，滿足DC/DC變換器單粒子效應(yīng)試驗(yàn)測試要求，同時該系統(tǒng)在不釋放靶室真空的條件下，實(shí)現(xiàn)了3個品種6只被試樣品的的自動片選加載測試。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速自動測試采集、分析，在線實(shí)時評估抗輻照器件的加固性能，相比原有手動搭建測試平臺，全程試驗(yàn)周期縮短了一半，實(shí)現(xiàn)了DC/DC變換器單粒子試驗(yàn)的快速、高效自動化測試系統(tǒng)的研制目標(biāo)。

4 總結(jié)

本文自主設(shè)計(jì)、開發(fā)了混合集成電路DC/DC變換器單粒子試驗(yàn)測試系統(tǒng)，并在串列加速器上進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證和評估，通過過單路、雙路及三路3款DC/DC變換器的單粒子地面加固試驗(yàn)性能驗(yàn)證，該測試系統(tǒng)滿足DC/DC變換器單粒子效應(yīng)測試技術(shù)研究與工程應(yīng)用。輻照試驗(yàn)中通過該測試系統(tǒng)，比對、驗(yàn)證、分析了混合集成電路DC/DC變換器內(nèi)部敏感器件對其輸出的整體影響，評估了DC/DC變換器中敏感器件的單粒子效應(yīng)特性，分析了混合集成DC/DC變換器中MOS管、PWM、PAM、比較器的單粒子敏感特性，為抗輻照混合集成電路DC/DC變換器的加固改進(jìn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。