VDMOS器件损伤的DC／DC转换器辐射预兆单元设计

    航天用DC／DC转换器工作在太空辐射环境下，辐射损伤是其主要失效机理。DC／DC转换器的可靠性关系到整个航天器的可靠性，国内外广泛研究了DC／DC转换器辐射损伤失效机理、失效模式和抗辐射筛选与加固措施。随着航天事业发展和大量商用器件用于航天设备，迫切需要寻找新方法来保证DC／DC转换器的可靠性。国外研究人员提出把预兆单元技术用于DC／DC转换器，在不改变DC／DC变转换器拓扑结构前提下，加入监测单元，监测易损器件或DC／DC转换器参数，在DC／DC转换器失效前报警，保证DC／DC转换器的可靠性。但还未见到将预兆单元技术用于DC／DC转换器抗辐射可靠性研究。文中通过辐射失效物理和DC／DC转换器电气传输关系分析，建立VDMOS器件辐射损伤敏感参数与DC／DC转换器关键敏感参数之间的辐射损伤关系。依据辐射损伤关系设计预兆单元，在DC／DC转换器发生故障之前发出预警信号，尽快采取措施减小辐射损伤失效带来的损失。

1 预兆单元设计原理
1．1 预兆单元技术原理
    电子产品预兆单元是一单元电路，它与工作电路(也叫宿主电路)集成在同一芯片上。预兆单元电路和宿主电路工作在相同的应力和环境条件下，预兆单元电路采集宿主电路所在的环境信息或实时监测宿主电路的某项参数，在宿主电路失效前发出预警信号。预兆单元技术的核心思想由可靠性浴盆曲线，如图1所示，说明浴盆曲线分为3个区域，第一个区为早期失效区，失效率较高。第二个阶段为偶然失效区，失效率较低。第三个阶段为损耗失效区，失效率明显上升，大部分产品的寿命将终止。预兆单元在设备进入损耗区前做出判断，向用户发出警报。预兆单元可分为两种，一种是加速寿命的预兆单元；一种是监测参数的预兆单元，选取电路或器件敏感且容易监测的参数，通过在线监测该参数的变化达到预警的作用。
1．2 预兆单元设计理论依据
    文中采用监测参数的预兆单元，设计监测参数的预兆单元关键是确定敏感易监测的参数，然后建立监测参数与DC／DC转换器辐射损伤关系。DC／DC转换器辐射失效模式主要有输出电压漂移、转换效率下降、输出纹波增大、线性调整率和负载调整率增大等。电离辐射效应在MOS系统中产生氧化层陷阱电荷和界面态电荷，VDMOS器件总剂量辐射效应失效模式有阈值电压漂移、跨导退化、漏电流增加等。通过后续的电路分析可得敏感监测参数和辐射损伤关系。
    图2所示是一单端反激变换器的典型拓扑结构图，采用脉宽调制器芯片(PWM)控制VDMOS器件的开关，VDMOS器件在转换器中用作开关作用。

(1)辐射后，VDMOS器件阈值电压负漂，当VDMOS器件阈值电压低于PWM输出电压低电平时，VDMOS器件不能关断，变压器不能传输能量，输出电压急剧下降，转换器彻底失效；(2)阈值电压负漂引起导电沟道开启增大，漏端电流增大，DC／DC转换器功耗增加而失效，国内外也有相似的报道。对于第一种失效模式，选取VDMOS器件的阈值电压和DC／DC转换器输出电压为辐射敏感参数。辐射后VDMOS器件的阈值电压不低于PWM输出电压低电平，输出电压保持稳定。对于第二种失效模式，选取VDMOS器件阈值电压和功耗为辐射敏感参数。辐射损伤引起的导通损耗开关损耗总损耗分别如式(1)～式(3)所示。

   
    当阈值电压负漂到一个定值时，功耗过大使效率低于规定标准，DC／DC转换器失效。由上面两种失效模式分析可知，当阈值电压负漂到一个确定值时，DC／DC转换器失效。设计监测参数的预兆单元，就是监测VDMOS器件阈值电压，在阈值电压还未达到失效点时，发出报警信号。

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2 预兆单元设计
2．1 预警方案选取
    针对上述两种失效模式，选取合适的预警方案，在DC／DC转换器中加人预兆单元，加入预兆单元后的DC／DC转换器结构，如图3所示。报警信号采用低电位向高电位的跳变，为此设计合理的预兆单元电路，在转换器将要失效时，输出信号由低电平变为高电平。

2．2 单元电路设计
    根据前文所述预兆单元技术原理，监测参数的预兆单元电路应包括下面3部分。(1)VDMOS器件损伤情况监测电路；(2)监测信号放大电路；(3)输出电路。下面分别介绍各个功能部分的设计过程。(1)辐射损伤监测电路。通过R1和R2给监测器件固定栅偏压，这个栅偏压是报警阈值点。当监测器件阈值电压负漂到固定栅偏压时，监测器件导通；(2)监测信号放大电路。在监测器件的上电位加一负载，负载是电阻或p型MOSFET有源负载，负载和监测器件构成放大器，监测器件阈值电压负漂到报警阈值点时，Vsense由高电平转化为低电平；(3)输出电路。输出电路采用抗辐射加固的反相器实现。抗辐射加固反相器，如图4所示，增加一个上拉p型MOSFET(p1)，并在n型MOSFET下面引入一个额外的n型MOSFET(n1)。当输入为高电平时，p1MOSFET关断，n1MOSFET开启，原始的反相器工作不受影响。当输入为低电平时，plMOSFET起上拉作用，使p1MOSFET和n1MOSFET漏端连接点处于高电平，因此n型MOSFET能更有效的关闭。n型MOSFET源漏电压减小，降低了漏电流，经过辐射后，输出仍能保持在Vcc附近。整体电路，如图4所示，当VDMOS器件辐射损伤达到一定程度时，监测信号经过放大和输出电路最终输出高电平信号。

3 报警阈值确定与仿真
3．1 报警阈值确定
    报警阈值点由VDMOS器件和DC／DC转换器之间的损伤关系而定，上述两种不同的失效模对应不同的失效阈值点。下面的方法可以解决不同阈值点的问题。对于VDMOS器件不能关断失效模式，失效时阈值电压漂移量△V1=Vth一V1(V1为PWM输出低电平电压)。对于效率退化失效模式，根据式(3)和国家军用标规定推算得阈值电压漂移量为△V2。对比两种失效模式阈值电压负漂量，选取负漂量较小的为失效负漂量。失效阈值电压负漂量减小20％作为监测阈值电压负漂量。阈值电压的监测点由式(4)给出

   
3．2 仿真验证
    根据选取的DC／DC转换器电路，确定参数并代入式(4)计算得Vs=1．2V，调整R1，R2的阻值，使DUT器件监测电压为1．2V。在Pspice下仿真结果，如图5所示，当VDMOS器件阈值电压负漂到1．2V时，输出电压由低电平变为高电平，实现报警。由于电路采用抗辐射加固设计，其他器件辐射损伤对输出影响不大，仿真结果没有变化，在此不再给出仿真结果。航天用DC／DC转换器工作在很大的温度范围内，预兆单元温度变化仿真结果，如图6所示，输出电压不受影响，跳变点微小变化对报警影响不大。仿真结果证实所设计的预兆单元电路和预警方案是合理可行的。

4 结束语
    文中把预警和健全管理(PHM)方法用于DC／DC转换器抗辐射可靠性研究，研究了VDMOS器件和DC／DC转换器之间的辐射损伤关系。结合辐射损伤关系和预兆单元技术原理设计了基于VDMOS器件损伤的DC／DC转换器辐射预兆单元，仿真结果证实所设计的预兆单元可以对DC／DC转换器辐射损伤失效提前报警。