DC/DC輻照損傷與VDMOS器件1/f噪聲相關性研究

大量的研究表明，低頻噪聲除了與產品性能有關之外，還與產品質量和可靠性密切相關。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、鉭電容器等簡單器件，還包括集成運算放大器、DSP等復雜電路的模塊。通過對這些簡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，經過研究發現，低頻噪聲特別是1/f噪聲與各類電子器件的可靠性密切相關。1/f噪聲能夠用于可靠性表征的原因在于產生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器件的可靠性。本文通過對DC／DC轉換器低頻1／f噪聲的測量來表征輻照損傷，并初步探究輻照損傷與內部的VDMOS器件的1／f噪聲相關性。

　　1 DC／DC轉換器的低頻噪聲測量

　　圖1為一個典型的單端輸出隔離式DC／DC轉換器原理圖。

　　如圖1中的虛線部分所示，DC／DC轉換器的輸入端和輸出端正負回路之間會產生寄生電容，從而產生干擾噪聲。為了避免寄生電容產生的干擾，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C3，經低頻噪聲前置放大器后，進入數據采集卡，再由微機系統進行數據處理和分析。

　　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轉換器電離輻照實驗

　　2．1 輻照實驗方案

　　衛星、航天器等空間設備處于空間輻射環境中，空間輻射是誘發航天器異常或者故障的主要原因之一。歐洲航天局的報告指出，衛星等航天器的反常現象中，有33％是由于輻射誘發產生的。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問題。本次實驗方案參照美軍標MIL-STD-883E標準和歐洲航天局有關實驗方案設計。輻照源采用鈷60，輻照射線為γ射線，輻照劑量率為5．70 rad(Si)／s，輻照初始劑量20 krad(Si)，輻照步長為10 krad(Si)，輻照累計總劑量為50 krad(Si)。

　　實驗樣品采用沒有經過抗輻照加固的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，步長為10％額定負載進行調節。噪聲測試系統采用西安電子科技大學噪聲及無損檢測實驗室自主研發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轉換器樣品進行低頻噪聲測試。

　　2．2 實驗數據分析

　　隨著輻照劑量的增加，樣品的電性能不斷退化，商用級樣品器件在輻照20 krad(Si)時即徹底損壞；普軍級樣品器件在40 krad(Si)以上劑量時，完全失效。普軍級樣品器件在40 krad(Si)以下輻照劑量時輸出電壓，轉換效率等電參數的實驗前后變化如圖3所示。

　　由圖3可以看出，在輻照前，無論24 V還是32 V輸入，輸出電壓在不同負載下都表現出良好的穩定性；在輻照20 krad(Si)之后，輸出電壓在特定負載下就會出現明顯的下降，32V輸入時，輸出電壓下降點出現在40％負載；24 V輸入時，輸出電壓下降點出現在60％負載。在輻照30 krad(Si)之后，無論是32 V輸入還是24 V輸入，輸出電壓均明顯下降，隨負載的增加，輸出電壓趨近于零。隨著輻照總劑量的累積，樣品輸出功率的效率也明顯變化，在總劑量達到30 krad(Si)之后，其輸出功率趨近于零，此時，可認為樣品已經損壞。

　　測得DC／DC轉換器輸出噪聲功率譜圖后，需要進一步對頻譜圖進行擬合，提取DC／DC轉換器的1/f噪聲幅值日，研究其在輻照前后的變化。實驗測得DC／DC轉換器的噪聲功率譜密度可寫為

　　其中的三個表征參量A、B以及γ分別表示白噪聲的幅度、1／f噪聲的幅度以及頻率指數因子。數學上可以根據最小二乘法對曲線進行擬合，提取出A、B、γ。

　　西安電子科技大學噪聲及無損檢測實驗室自主研發的噪聲分析軟件能很好地實現噪聲頻譜的擬合與參數的提取。

為了清楚地表明輻照前后低頻噪聲的變化程度與常規電參數的變化程度，將噪聲參數與電參數的變化百分比計算出來，如圖4。

　　從圖4可以看出，樣品器件的低頻噪聲B值在輻照前后的變化幅度要遠大于傳統的電參數的變化，對輻照更加敏感。因此，可以將噪聲作為表征DC／DC轉換器抗輻照性能的一種有效補充。此外，商用級樣品與普軍級樣品輻照前的低頻噪聲數據相比較時，商用級樣品在輻照前的噪聲幅值B無論在何種負載條件下均大于普軍級樣品，而且商用級樣品在經過20 krad(Si)的輻照后即徹底破壞，而普軍級樣品在輻照總劑量達到40 krad(Si)之后才完全損壞。由此可以初步判斷，DC／DC轉換器輻照前的噪聲幅值曰可以用來判別器件的抗輻照性能，用來篩選可靠性更高的器件。但這一結論仍需要對多種型號的器件進行大量重復性實驗來予以驗證，這也是下一步需要加以關注的方向之一。

　　3 DC／DC轉換器輻照失效噪聲參數與電參數相關性分析

　　從前面的實驗可以得出，DC／DC轉換器的1/f噪聲在輻照前后有明顯變化，1／f噪聲的這種變化是來源于DC／DC轉換器內部器件的輻照失效。在電路中，l/f噪聲發生變化的位置正是影響DC／DC轉換器電參數變化的位置，二者的來源具有一致性。本實驗以降壓式直流轉換器的工作原理為例，分析DC／DC轉換器輻照失效的一般原理。

　　圖5(a)所示的是降壓式直流轉換器的簡化線路組成圖；圖5(b)為由單刀雙擲開關S、電感原件L和電容C組成的降壓型轉換器基本原理圖。

　　工作過程如下：當開關S在位置a時，如圖5(c)所示電流Is=IL流過電感線圈L，電流線性增加，在負載R上流過電流Io，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負。當Is>IL時，電容處于充電狀態，此時二極管D1承受反向電壓，經時間D1Ts后(D1=Ton／Ts，Ton為S在a位時間，Ts為周期)。當開關在b位時，如圖5(d)所示，由于線圈L中的磁場將改變L兩端電壓極性，以保持電流IL不變，負載兩端電壓仍是上正下負。在IL

　　設D1、D2分別為開關S的接通時間占空比和斷開時間占空比，在輸入輸出不變的前提下，開關在a位時，電感電流平均值IL=Io=Vo／R，電感電流線性上升增量為

　　上式表明，輸出電壓隨占空比而變化，設電壓增益為M，則

　　由于占空比小于1，故M小于1，因此實現降壓變換。

　　由此可以看出，降壓型DC／DC轉換器的輸出與其電路開關占空比有著極為密切的關系，而在實際電路中，VDMOS和PWM等器件的性能對DC／DC轉換器有著重要影響。這些器件的抗輻照性能，國內外已有許多研究，其中大量的實驗和理論研究表明，VDMOS在輻照后，主要電參數如閾值電壓和跨導均發生漂移。閾值電壓的漂移有兩種形式：對于n-VDMOS器件，閾值電壓漂移為負；對于p-VDMOS器件，閾值電壓漂移為正。跨導在線性區隨輻照劑量的增大而減小，其中閾值電壓的變化直接影響到電路占空比的變化，如果輸入VDMOS的交流電壓不變，則閾值電壓減小，電路接通占空比增大；反之，閾值電壓減小，電路占空比減小。本次實驗采用BUP-3W24S5普軍級的DC／DC轉換器，其內部使用p-VDMOS與前文所提到的實驗結論完全相符。

　　除此之外，對MOSFET的1／f噪聲的相關性研究表明，1／f噪聲是表征MOSFET可靠性的一種有效方法，MOSFET電性能的變化程度可以反映在1/f噪聲的變化上。本次實驗中，對普軍級樣品內部的VDMOS輻照前后的低頻噪聲進行了測量，所得的B值如表1所示。

　　由表1可以看出，輻照前后，樣品內部VDMOS的1／f噪聲擬合B值均有l~2個數量級的增大，這一變化規律與樣品整體1／f噪聲的變化規律是一致的。

　　4 結語

　　本文通過上述分析可以看到，DC／DC轉換器在輻照前后電參數的變化可以歸結為由內部器件所影響的開關占空比的變化，進而歸結為其中的內部器件如VDMOS。這樣DC／DC轉換器輻照無論是電參數還是1／f噪聲變化就歸因于同一原因，這些來源具有一致性。

　　由于影響DC／DC轉換器性能的內部器件如VDMOS、PWM、肖特基二極管、光耦等多種器件，因此要獲得DC／DC轉換器整體與局部噪聲之間的具體關系，定量分析出內部器件的l/f噪聲變化對整體1／f噪聲變化的影響，還需要對DC／DC轉換器內部1／f噪聲做更多的研究、探索與分析，需要大量的實驗數據進行驗證。