VDMOS器件損傷的DC/DC轉換器輻射預兆單元設計

航天用DC／DC轉換器工作在太空輻射環境下，輻射損傷是其主要失效機理。DC／DC轉換器的可靠性關系到整個航天器的可靠性，國內外廣泛研究了DC／DC轉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。隨著航天事業發展和大量商用器件用于航天設備，迫切需要尋找新方法來保證DC／DC轉換器的可靠性。國外研究人員提出把預兆單元技術用于DC／DC轉換器，在不改變DC／DC變轉換器拓撲結構前提下，加入監測單元，監測易損器件或DC／DC轉換器參數，在DC／DC轉換器失效前報警，保證DC／DC轉換器的可靠性。但還未見到將預兆單元技術用于DC／DC轉換器抗輻射可靠性研究。文中通過輻射失效物理和DC／DC轉換器電氣傳輸關系分析，建立VDMOS器件輻射損傷敏感參數與DC／DC轉換器關鍵敏感參數之間的輻射損傷關系。依據輻射損傷關系設計預兆單元，在DC／DC轉換器發生故障之前發出預警信號，盡快采取措施減小輻射損傷失效帶來的損失。

　　1 預兆單元設計原理

　　1．1 預兆單元技術原理

　　電子產品預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。預兆單元電路和宿主電路工作在相同的應力和環境條件下，預兆單元電路采集宿主電路所在的環境信息或實時監測宿主電路的某項參數，在宿主電路失效前發出預警信號。預兆單元技術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個區域，第一個區為早期失效區，失效率較高。第二個階段為偶然失效區，失效率較低。第三個階段為損耗失效區，失效率明顯上升，大部分產品的壽命將終止。預兆單元在設備進入損耗區前做出判斷，向用戶發出警報。預兆單元可分為兩種，一種是加速壽命的預兆單元；一種是監測參數的預兆單元，選取電路或器件敏感且容易監測的參數，通過在線監測該參數的變化達到預警的作用。

　　1．2 預兆單元設計理論依據

　　文中采用監測參數的預兆單元，設計監測參數的預兆單元關鍵是確定敏感易監測的參數，然后建立監測參數與DC／DC轉換器輻射損傷關系。DC／DC轉換器輻射失效模式主要有輸出電壓漂移、轉換效率下降、輸出紋波增大、線性調整率和負載調整率增大等。電離輻射效應在MOS系統中產生氧化層陷阱電荷和界面態電荷，VDMOS器件總劑量輻射效應失效模式有閾值電壓漂移、跨導退化、漏電流增加等。通過后續的電路分析可得敏感監測參數和輻射損傷關系。

　　圖2所示是一單端反激變換器的典型拓撲結構圖，采用脈寬調制器芯片(PWM)控制VDMOS器件的開關，VDMOS器件在轉換器中用作開關作用。

　　(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器件不能關斷，變壓器不能傳輸能量，輸出電壓急劇下降，轉換器徹底失效；(2)閾值電壓負漂引起導電溝道開啟增大，漏端電流增大，DC／DC轉換器功耗增加而失效，國內外也有相似的報道。對于第一種失效模式，選取VDMOS器件的閾值電壓和DC／DC轉換器輸出電壓為輻射敏感參數。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。輻射損傷引起的導通損耗開關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定標準，DC／DC轉換器失效。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轉換器失效。設計監測參數的預兆單元，就是監測VDMOS器件閾值電壓，在閾值電壓還未達到失效點時，發出報警信號。

　　2 預兆單元設計

　　2．1 預警方案選取

　　針對上述兩種失效模式，選取合適的預警方案，在DC／DC轉換器中加人預兆單元，加入預兆單元后的DC／DC轉換器結構，如圖3所示。報警信號采用低電位向高電位的跳變，為此設計合理的預兆單元電路，在轉換器將要失效時，輸出信號由低電平變為高電平。

　　2．2 單元電路設計

　　根據前文所述預兆單元技術原理，監測參數的預兆單元電路應包括下面3部分。(1)VDMOS器件損傷情況監測電路；(2)監測信號放大電路；(3)輸出電路。下面分別介紹各個功能部分的設計過程。(1)輻射損傷監測電路。通過R1和R2給監測器件固定柵偏壓，這個柵偏壓是報警閾值點。當監測器件閾值電壓負漂到固定柵偏壓時，監測器件導通；(2)監測信號放大電路。在監測器件的上電位加一負載，負載是電阻或p型MOSFET有源負載，負載和監測器件構成放大器，監測器件閾值電壓負漂到報警閾值點時，Vsense由高電平轉化為低電平；(3)輸出電路。輸出電路采用抗輻射加固的反相器實現。抗輻射加固反相器，如圖4所示，增加一個上拉p型MOSFET(p1)，并在n型MOSFET下面引入一個額外的n型MOSFET(n1)。當輸入為高電平時，p1MOSFET關斷，n1MOSFET開啟，原始的反相器工作不受影響。當輸入為低電平時，plMOSFET起上拉作用，使p1MOSFET和n1MOSFET漏端連接點處于高電平，因此n型MOSFET能更有效的關閉。n型MOSFET源漏電壓減小，降低了漏電流，經過輻射后，輸出仍能保持在Vcc附近。整體電路，如圖4所示，當VDMOS器件輻射損傷達到一定程度時，監測信號經過放大和輸出電路最終輸出高電平信號。

3 報警閾值確定與仿真

　　3．1 報警閾值確定

　　報警閾值點由VDMOS器件和DC／DC轉換器之間的損傷關系而定，上述兩種不同的失效模對應不同的失效閾值點。下面的方法可以解決不同閾值點的問題。對于VDMOS器件不能關斷失效模式，失效時閾值電壓漂移量△V1=Vth一V1(V1為PWM輸出低電平電壓)。對于效率退化失效模式，根據式(3)和國家軍用標規定推算得閾值電壓漂移量為△V2。對比兩種失效模式閾值電壓負漂量，選取負漂量較小的為失效負漂量。失效閾值電壓負漂量減小20％作為監測閾值電壓負漂量。閾值電壓的監測點由式(4)給出

　　3．2 仿真驗證

　　根據選取的DC／DC轉換器電路，確定參數并代入式(4)計算得Vs=1．2V，調整R1，R2的阻值，使DUT器件監測電壓為1．2V。在Pspice下仿真結果，如圖5所示，當VDMOS器件閾值電壓負漂到1．2V時，輸出電壓由低電平變為高電平，實現報警。由于電路采用抗輻射加固設計，其他器件輻射損傷對輸出影響不大，仿真結果沒有變化，在此不再給出仿真結果。航天用DC／DC轉換器工作在很大的溫度范圍內，預兆單元溫度變化仿真結果，如圖6所示，輸出電壓不受影響，跳變點微小變化對報警影響不大。仿真結果證實所設計的預兆單元電路和預警方案是合理可行的。

　　4 結束語

　　文中把預警和健全管理(PHM)方法用于DC／DC轉換器抗輻射可靠性研究，研究了VDMOS器件和DC／DC轉換器之間的輻射損傷關系。結合輻射損傷關系和預兆單元技術原理設計了基于VDMOS器件損傷的DC／DC轉換器輻射預兆單元，仿真結果證實所設計的預兆單元可以對DC／DC轉換器輻射損傷失效提前報警。