基于DC/DC變換器的單粒子效應測試系統及應用

劉小為

（中國電子科技集團第四十三研究所，合肥 230088）

引言

隨著我國航天事業的高速發展，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。單粒子效應是空間輻射環境中的高能質子、重離子、α粒子和中子等與半導體器件或集成電路相互作用后，器件或電路會出現單粒子翻轉、單粒子閂鎖、單粒子柵穿、單粒子燒毀等異常現象[1]。如果DC/DC變換器受輻照影響致使輸出電壓發生改變，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問題。

通常以地面模擬環境試驗或衛星搭載方式來研究DC/DC變換器的抗輻照性能，DC/DC變換器單粒子效應地面模擬試驗是研究抗輻照DC/DC變換器及核心器件加固設計的基礎。單粒子效應地面模擬試驗數據的準確性、可靠性和可信度直接關系著航天電子器件在軌長期運行的可靠性，而這些數據均需要測試系統完成。因此，為了更好地開展好DC/DC變換器單粒子試驗，必須要研究其單粒子測試系統，以滿足航天工程對抗輻照DC/DC變換器的技術研究與應用。

1 國內外現狀

自從1978年Pickel和Blandford確認了單粒子的存在后，1979年Kolasinski W A等人發現單個高能粒子能引起COMS器件發生閉鎖，1986年Waskiewicz A E等人發現單個高能粒子還能引起MOS器件發生單粒子燒毀，1987年Fischer T A等人又發現單粒子柵穿等[2-4]，單粒子效應一度成為研究熱點。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研究，例如P.C.Adell等人關于DC/DC變換器單粒子效應模擬試驗的測試方法、測試結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，國內對DC/DC變換器單粒子效應的研究相對較晚，針對DC/DC變換器單粒子效應的測試，當今國內還沒有形成統一的試驗方法。目前針對DC/DC變換器單粒子效應的測試裝置主要有以下兩種方案：一是僅采用示波器進行高低電平的閾值設定進行單次觸發捕捉單粒子效應試驗現象，但是此方法無法對效應結果進行分析統計；二是使用集成的數據記錄儀，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，人員在試驗中途要多次進入輻照室進行手動切換樣品以及上電加載，致使試驗效率低。為了避免現有DC/DC變換器單粒子測試技術的不足，本文研究一種DC/DC變換器單粒子試驗的自動化測試系統。

2 測試系統

2.1 系統硬件組成

整個測試系統采用先進的PXI工業計算機總線和模塊化硬件設備，如圖1所示，系統硬件由便攜集成采集控制設備、信號控制接線盒、DC/DC變換器夾具、程控電源、電子負載、PC機等硬件組成。系統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成，以實現信號（Vp-p在30 V以內）高達60 MS/s采樣率的實時采集；控制單元由PXI控制卡和信號控制接線盒構成，控制電子負載、程控電源和夾具，以實現樣品片選、加載等。同時，采用PXI實時控制器通過千兆以太網接口與遠程上位計算機通信，以實現遠程測試。為了提高試驗效率，在不釋放靶室真空的情況下，系統設計了被試被試品的自動片選功能，通過開發智能信號控制單元，智能控制繼電器開關以實現單粒子效應試驗過程的被試品自動電源設定及加載測試，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 測試系統硬件結構

2.2 系統軟件

針對DC/DC變換器單粒子效應試驗，開發一套單粒子效應試驗自動化測試軟件。如圖2所示，系統軟件功能由通訊軟件單元、測量顯示單元、計算單元組成、控制軟件單元組成。系統實時讀取DC/DC變換器單粒子效應試驗數據，并對數據進行分析、處理。系統軟件提供友好的人機界面以及各模塊化子控制界面，軟件流程圖如圖3所示，軟件實現測試樣品的數據自動高速采集、自動片選、自動加載、自動電源設定、參數設定、實時顯示、數據回放等功能。

圖2 系統軟件功能單元

圖3 系統軟件流程圖

2.3 系統工作原理

測試系統使用時，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通過信號調理后，送往PXI采集卡及便攜式集成采集控制設備，實現了電參數的高速采集。通過DC/DC變換器單粒子試驗開發的自動測試軟件，啟動、復位、配置測試系統，在軟件測量主界面上實時顯示采集的電參數變化、實時計算電參數跳變的次數、實時計算電參數跳變的脈寬、實時計算電參數跳變的幅度。通過上位PC機遠程訪問便攜集成采集控制設備實現實時在線檢測、記錄、分析、監測DC/DC變換器單粒子效應試驗全過程。

2.4 系統測試方法

結合加速器裝置出重離子以及單粒子效應測試試驗本身特點，系統在進行被試樣品的的單粒子效應試驗自動化測試時，如圖4所示，樣品測試如下方法和步驟開展試驗、測試及分析等。

圖4 系統測試程序

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

2）測試系統的安裝調試，關閉輻照間門后，復驗一次測試系統，配置數據采集參數（采樣、閾值設定、存儲路徑）。

3）根據試驗條件要求調諧束流，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）運行測試系統，監測被試品輸出電參數，實時記錄發生的試驗現象，在輻照期間，被監測器件輸出電壓超出其設定閾值范圍時，則記錄相關脈沖產生的次數和寬度，當脈沖寬度明顯大于正常紋波寬度，則記錄一次單粒子瞬態SET。當電流超過預設最大值時，記錄一次單粒子鎖定SEL，當發生輸出電壓異常，但電流未明顯增大，且被試器件不重啟，無法恢復正常，則記錄一次單粒子功能終止SEFI，當發生輸出電壓值跌至零附近，且被試器件重啟，仍無法恢復正常，則記錄一次單粒子燒毀SEB，當發生SEB或者注量達到試驗規定的要求時，停止試驗，完成第一塊被試品的第一種離子輻照試驗。

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

6）結束測試試驗，對試驗數據統計分析，按照線性能量傳輸值的大小，分別統計各試驗樣品發生SET、SEL、SEFI的次數及對應重離子的注量，繪制單粒子效應界面與線性能量傳輸值關系圖。

3 系統的應用驗證

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

如圖5所示，將裝夾好樣品的輻照板安裝在真空靶室內，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，靶室封蓋前復驗測試系統，配置數據采集參數（采樣、閾值、存儲路徑等設定）；通過系統軟件片選樣品，自動上電加載工作，開始單粒子測試試驗。

圖5 測試系統抗輻照試驗現場應用

試驗首先對三類混合集成電路DC/DC變換器樣品內部6個MOS管分別進行單粒子效應測試，測試系統記錄的結果如表1所示。從表1中可以看出，MOS管X-740發生單粒子瞬態（以下稱SET）次數最多，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，當輻照DC/DC變換器內部MOS管時，DC/DC變換器發生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管單粒子效應統計表

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，瞬變持續時間T為2.9 ms。

圖6 輻照XX-D5的MOS管發生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，瞬變持續時間T為12 ms。

圖7 輻照XX-T512的MOS管發生SET波形

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

圖8 輻照XX-S3的MOS管發生SEFI波形

其次，對DC/DC變換器XX-T512內部PWM和PAM芯片分別進行單粒子效應試驗，檢測DC/DC變換器的輸出，試驗結果如表2所示，結合表1可以看出與PWM1843和MOS管840相比，PAM1901發生SET次數較多，但是兩只樣品在整個試驗過程中是一直工作正常。

表2 PWM和PAM單粒子效應統計表

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，輸出電壓發生了3次SET現象，瞬變電壓幅度A在4.3~5.17 V之間，瞬變持續時間T為10 ms以內。

圖9 輻照XX-T512的PWM發生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，輸出電壓發生了6次SET現象，瞬變電壓幅度A在4.87~5.07 V之間，瞬變持續時間T最長在2 ms以內。

圖10 輻照XX-T512的PAM時發生SET波形

不難看出，對于DC/DC變換器XX-T512，其內部敏感器件為PAM、MOS、PWM，其中PAM對單粒子效應最為敏感，PWM次之，MOS管抗單粒子效應能力最強，因此，針對DC/DC變換器T512，需要進一步提高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內部比較器X-158芯片進行單粒子效應試驗，檢測DC/DC變換器的輸出，試驗結果如下表3所示，結合表1可以看出與MOS管740相比，輻照X-158發生時，該款DC/DC變換器發生SET次數較多，在發生多次SET后，樣品輸出電壓跌為0V，如圖11所示。關電后，重新啟動，19#產品輸出正常，因此判斷19# XX-S3發生SEFI；但15#產品仍然無輸出，因此判斷15#XXX-S3發生單粒子損壞（SEB）。

圖11 輻照XX-S3型DC/DC變換器X-158發生SEFI波形

表3 比較器單粒子效應統計表

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變換器輻照試驗中，單粒子測試系統實現了自動高速數據采集、自動片選、自動加載、自動電源設定、試驗參數設定、采集實時顯示、數據回放功能于一體，滿足DC/DC變換器單粒子效應試驗測試要求，同時該系統在不釋放靶室真空的條件下，實現了3個品種6只被試樣品的的自動片選加載測試。該系統實現了數據高速自動測試采集、分析，在線實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，全程試驗周期縮短了一半，實現了DC/DC變換器單粒子試驗的快速、高效自動化測試系統的研制目標。

4 總結

本文自主設計、開發了混合集成電路DC/DC變換器單粒子試驗測試系統，并在串列加速器上進行應用驗證和評估，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性能驗證，該測試系統滿足DC/DC變換器單粒子效應測試技術研究與工程應用。輻照試驗中通過該測試系統，比對、驗證、分析了混合集成電路DC/DC變換器內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變換器的加固改進提供設計依據和驗證數據。