DC-DC变换器抗辐射试验-侯伟

第28卷第2期航天器环境工程2011年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING137DC/DC变换器抗辐射试验侯伟，姚雨迎，卓林（航天东方红卫星有限公司，北京100094）摘要：文章以ZHDC28S05/18W型数字化DC/DC变换器（额定输入28V，输出5V/3.6A）为例，制定了DC/DC变换器辐射总剂量和单粒子效应试验的方案并进行了摸底试验，根据试验结果更换了集成功率芯片LM2596-ADJ，使产品的抗辐射性能有了明显提高。关键词：DC/DC变换器；总剂量效应；单粒子效应；抗辐射试验中图分类号：TN406文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)02-0137-04DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2011.02.0070概述随着分散供配电体制的发展，DC/DC变换器的重要性日益体现。航天器用DC/DC变换器除具有严格电气指标以外，其空间环境效应尤为突出。产品研制完成之后，必须进行辐射总剂量和单粒子效应的摸底试验，以保证其抗辐射性能满足要求。1试验样品试验样品ZHDC28S05/18W为采用厚膜工艺制造的数字化DC/DC变换器，其中的6个单粒子敏感器件分别为MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供电芯片（LM2596-3.3）、集成供电芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和数字控制器（BM2832MG）。它们均为裸芯片，通过金属压焊丝焊接在陶瓷基板上。2总剂量试验2.1试验目的通过辐照试验，了解器件的耐电离辐射能力。辐照源为600Cγ射线源（辐射场在试验样品辐照面积内的不均匀度小于10%）。2.2试验方案试验现场如图1所示，被试DC/DC变换器置于辐照室内，电源、测试仪器及设备置于辐照室外。将被试DC/DC变换器准确地放置在相应的剂量率线上并加以固定，将测试仪器、电源及负载用电缆通过迷宫结构屏蔽体与被试样品连接起来，测试电缆的长度约为35m。测试系统由稳压电源、电阻负载、万用表和示波器组成，主要监视输入电压、输入电流和输出电压3个参数的变化，连接关系如图2所示。输入电压、电流从稳压电源直接读出，输出电压通过万用表测量，在负载端接示波器同时观察输出电压纹波的变化。测试仪器型号见表1。图1试验现场示意图Fig.1Schematicdiagramofthetestscene图2测试系统连接关系示意图Fig.2Schematicdiagramofthemeasurementsystem表1总剂量试验所用测试仪器Table1Measuringinstrumentsfortotaldosetest名称型号稳压电源Agilent6654A数字万用表AgilentN3300A数字存储示波器TektronixTDS3032B————————————收稿日期：2010-10-13；修回日期：2010-11-22基金项目：“十一五”预先研究课题（项目编号：51323030216）作者简介：侯伟（1978—），男，硕士研究生，研究方向为卫星电源技术。联系电话：[phone]。138航天器环境工程第28卷试验样品：ZHDC28S05/18W型DC/DC变换器2只；辐照剂量率：10krad(Si)/h；环境温度：20±5℃；测试项目：输入电流，输入电压，输出电压；失效判据：输出电压变化≥5%或输入电流变化≥10%。试验流程如图3所示[1,3]。开始辐照辐照到要求的剂量决定是否进行加速退火试验选择剂量率点安装器件及测试电路，并进行辐照前测试通过决定是否进行室温退火进行规定的电参数测量通过功能失效参数超差进行加速退火试验进行规定的电参数测量未通过通过未通过否是决定是否进行0.5倍额外辐照进行0.5倍额外辐照否是合格不合格图3总剂量试验流程Fig.3Theflowchartoftotaldoseradiationtest2.3试验结果及分析1#和2#DC-DC变换器总剂量辐照试验曲线分别见图4和图5。图41#DC/DC变换器总剂量辐照试验曲线Fig.4Thetotaldoseradiationtestcurvefor1#DC/DCconverter图52#DC/DC变换器总剂量辐照试验曲线Fig.5Thetotaldoseradiationtestcurvefor2#DC/DCconverter1#DC/DC变换器功能失效剂量为8.5krad(Si)，2#DC/DC变换器功能失效剂量为9.33krad(Si)。当器件功能失效前，变换器输入电流参数变化不到10%。经开盖后测量，两个变换器失效都是LM2596-ADJ（为数字控制器提供1.8V电源）失效引起。3单粒子效应试验3.1试验目的通过单粒子效应试验，获得器件单粒子事件LET阈值，为评价器件的单粒子效应（锁定和翻转）敏感性和DC/DC变换器的可靠性设计提供参考数据[2]。3.2试验方案1）试验样品样品为ZHDC28S05/18W型DC/DC变换器两只。试验样品开盖后，对6个单粒子敏感裸芯片MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供电芯片（LM2596-3.3）、集成供电芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和数字控制器（BM2832MG）分别进行辐照。2）辐射源辐射试验采用中国原子能科学院串列静电加速器产生的重离子为辐射源。本次试验选择4种离子，其能量及LET值见表2所示。试验在真空环境中进行，束斑尺寸为1cm×1cm。表2试验选用的高能重离子Table2High-energyheavyionsusedintests离子能量/MeVLET值/MeV·cm-2入射角度在硅中射程/µm16O8+1122.8811335Cl10,14+17512.651.148Ti10,15+18421.337.779Br12,20+23841.90°32.23）单粒子效应测试系统单粒子效应测试系统如图6所示，主要监视第2期侯伟等：DC/DC变换器抗辐射试验139输入电压、输入电流和输出电压、输出电流4个参数的变化。图6单粒子效应测试系统示意图Fig.6Schematicdiagramofthesingleeventeffecttestsystem4）试验流程试验流程如图7所示。根据靶室的条件，将试验板固定在辐照支架上，保证试验装置与试验支架移动的一致性。图7单粒子效应试验流程Fig.7Flowchartofsingleeventeffecttest试验前逐一确定每个器件的坐标，确保入射离子覆盖被测试器件的敏感区表面。对于每一个芯片的照射，先从能量较小的16O8+开始。对同一种离子，按以下顺序对6种芯片分别进行照射：IRFR13N15D—IRFC046N—LM2596-3.3—LM2596-ADJ—AT24C164—BM2832MG。如果低能级离子照射没有发生功能异常，则更换更高能量的离子依次对芯片进行照射，直到出现DC/DC变换器功能异常后，确定该芯片的最终单粒子效应LET阈值[4-5]。DC/DC变换器功能异常的判断依据是输出电压变化超过额定值的±5%，在本次试验中，正常输出电压范围是4.75～5.25V。在试验时，首先确定初始注量率为1.4×104cm2·s-1，辐照约2min后，若没有发生异常，则按照此注量率继续辐照，直到总注量达到107cm-2为止，如果发生异常则降低注量率。每种离子的注量率有所差异，但保持在(0.86～2)×104cm2·s-1之间。3.3试验结果及分析LM2596-ADJ在35Cl10,14+辐照时DC/DC变换器出现6次异常，输出电压瞬间降为0，DC/DC变换器自动重新启动一次；在48Ti10,15+辐照时出现5次异常，现象与35Cl10,14+辐照时相同；在79Br12,20+辐照时完全失效，DC/DC变换器无法正常工作。BM2832MG在48Ti10,15+辐照期间出现1次异常，需手动重新加电模块才能正常工作，在79Br12,20+辐照期间出现4次同样的异常。以BM2832MG（抗辐射加固芯片，LET阈值为15MeV·cm-2）为参照基准，IRFR13N15D、IRFC046N、LM2596-3.3、AT24C164等4个器件的抗单粒子能力要优于BM2832MG，LM2596-ADJ的抗单粒子能力低于BM2832MG。4结论综合总剂量和单粒子试验的结果，以BM2832MG为参照基准，集成功率芯片LM2596-ADJ的抗辐射总剂量和单粒子能力均较差，其他器件优于BM2832MG。根据试验结果更换了LM2596-ADJ芯片。经过验证，产品的抗辐射性能有了明显提高，抗总剂量的阈值达到12.83krad(Si)，单粒子效应阈值大于15MeV·cm-2。参考文献（References）[1]于庆奎,唐民,朱恒静,等.QJ10004—2008,宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法[S].北京:中国航天标准化研究所140航天器环境工程第28卷[2]于庆奎,唐民,朱恒静,等.QJ10005—2008,宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南[S].北京:中国航天标准化研究所[3]AmericanSocietyforTestingandMaterial.MIL-STD-883G,Ionizingradiation(totaldose)testprocedure[S].2006[4]余学峰,任迪远,张国强,等.用于空间环境的CMOS器件的辐照方法和加固评判研究[C]//卫星抗辐射加固技术学术交流文集,1993[5]陈盘训.半导体器件和集成电路的辐射效应[M].北京:国防工业出版社,2005Anti-radiationperformancetestofaDC/DCconverterHouWei,YaoYuying,ZhuoLin(DFHSatelliteCo.,Ltd,Beijing100094,China)Abstract:AtestschemeforthetotaldoseradiationandsingleeventeffectofDC/DCconvertersismade,andthecorrespondingtestiscarriedoutfortheZHDC28S05/18WdigitalDC/DCconverter.Accordingtothetestresult,LM2596-ADJchip(anintegratedpowerchipinsidetheconverter)isreplacedwithanothertypeofitskind,togreatlyimprovetheconverter’santi-radiationperformance.Keywords:DC/DCconverter;totaldoseradiation;singleeventeffect;anti-radiationtest～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～知识链接了解日常核辐射的量核辐射（或通常称之为放射性）存在于所有的物质之中。核辐射可以引起物质电离或激发，故称为电离辐射。它源于原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流，主要是α、β、γ三种射线。α射线是氦核，只要用一张纸就能挡住，但吸入体内危害大；β射线是电子流，照射皮肤后烧伤明显。以上这两种射线由于穿透力小，影响距离比较近，只要辐射源不进入体内，影响不会太大。γ射线是一种波长很短的电磁波，穿透力很强，和X射线相似，能穿透人体和建筑物，危害距离远。天然放射性主要来自3个方面：宇宙射线；地面和建筑物中的放射性；人体内部的放射性。微量的放射性不会危及健康，，只有核爆炸或核电站事故泄漏的放射性物质才能大范围地对人员造成伤亡。实际上人类的很多活动都离不开放射性，例如：人们摄入的空气、食物、水中的辐射照射剂量约为0.25mSv/a；带夜光表每年有