基于DC/DC变换器的单粒子效应测试系统及应用

刘小为

（中国电子科技集团第四十三研究所，合肥 230088）

引言

随着我国航天事业的高速发展，对高性能、高可靠、小型化同时具备抗空间辐照DC/DC变换器的需求十分迫切。单粒子效应是空间辐射环境中的高能质子、重离子、α粒子和中子等与半导体器件或集成电路相互作用后，器件或电路会出现单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子栅穿、单粒子烧毁等异常现象[1]。如果DC/DC变换器受辐照影响致使输出电压发生改变，将会直接影响电路其他部分的正常工作，因此，迫切需要解决DC/DC变换器的单粒子效应问题。

通常以地面模拟环境试验或卫星搭载方式来研究DC/DC变换器的抗辐照性能，DC/DC变换器单粒子效应地面模拟试验是研究抗辐照DC/DC变换器及核心器件加固设计的基础。单粒子效应地面模拟试验数据的准确性、可靠性和可信度直接关系着航天电子器件在轨长期运行的可靠性，而这些数据均需要测试系统完成。因此，为了更好地开展好DC/DC变换器单粒子试验，必须要研究其单粒子测试系统，以满足航天工程对抗辐照DC/DC变换器的技术研究与应用。

1 国内外现状

自从1978年Pickel和Blandford确认了单粒子的存在后，1979年Kolasinski W A等人发现单个高能粒子能引起COMS器件发生闭锁，1986年Waskiewicz A E等人发现单个高能粒子还能引起MOS器件发生单粒子烧毁，1987年Fischer T A等人又发现单粒子栅穿等[2-4]，单粒子效应一度成为研究热点。与此同时，国外开展了大量DC/DC变换器的抗单粒子辐射技术研究，例如P.C.Adell等人关于DC/DC变换器单粒子效应模拟试验的测试方法、测试结果分析及模型仿真方面的研究，L.Sterpone等人注入模拟法的研究等[5,6]。

与国外相比，国内对DC/DC变换器单粒子效应的研究相对较晚，针对DC/DC变换器单粒子效应的测试，当今国内还没有形成统一的试验方法。目前针对DC/DC变换器单粒子效应的测试装置主要有以下两种方案：一是仅采用示波器进行高低电平的阈值设定进行单次触发捕捉单粒子效应试验现象，但是此方法无法对效应结果进行分析统计；二是使用集成的数据记录仪，但是由于采样速率的制约，不能满足信号高速采集的要求。此外，上述两种方案，人员在试验中途要多次进入辐照室进行手动切换样品以及上电加载，致使试验效率低。为了避免现有DC/DC变换器单粒子测试技术的不足，本文研究一种DC/DC变换器单粒子试验的自动化测试系统。

2 测试系统

2.1 系统硬件组成

整个测试系统采用先进的PXI工业计算机总线和模块化硬件设备，如图1所示，系统硬件由便携集成采集控制设备、信号控制接线盒、DC/DC变换器夹具、程控电源、电子负载、PC机等硬件组成。系统硬件主要采集单元和控制单元两部分组成，采集单元由8通道的PXI总线模块化高速采集卡构成，以实现信号（Vp-p在30 V以内）高达60 MS/s采样率的实时采集；控制单元由PXI控制卡和信号控制接线盒构成，控制电子负载、程控电源和夹具，以实现样品片选、加载等。同时，采用PXI实时控制器通过千兆以太网接口与远程上位计算机通信，以实现远程测试。为了提高试验效率，在不释放靶室真空的情况下，系统设计了被试被试品的自动片选功能，通过开发智能信号控制单元，智能控制继电器开关以实现单粒子效应试验过程的被试品自动电源设定及加载测试，同时配置不同颜色的信号灯及信号编码，以指示片选被试样品。

图1 测试系统硬件结构

2.2 系统软件

针对DC/DC变换器单粒子效应试验，开发一套单粒子效应试验自动化测试软件。如图2所示，系统软件功能由通讯软件单元、测量显示单元、计算单元组成、控制软件单元组成。系统实时读取DC/DC变换器单粒子效应试验数据，并对数据进行分析、处理。系统软件提供友好的人机界面以及各模块化子控制界面，软件流程图如图3所示，软件实现测试样品的数据自动高速采集、自动片选、自动加载、自动电源设定、参数设定、实时显示、数据回放等功能。

图2 系统软件功能单元

图3 系统软件流程图

2.3 系统工作原理

测试系统使用时，先将DC/DC变换器装夹在DC/DC变换器夹具上，连接好程控电源，同时将电子负载与信号控制接线盒连接。开启电源后，试样被试品开始工作，被试品输出的电参数通过信号调理后，送往PXI采集卡及便携式集成采集控制设备，实现了电参数的高速采集。通过DC/DC变换器单粒子试验开发的自动测试软件，启动、复位、配置测试系统，在软件测量主界面上实时显示采集的电参数变化、实时计算电参数跳变的次数、实时计算电参数跳变的脉宽、实时计算电参数跳变的幅度。通过上位PC机远程访问便携集成采集控制设备实现实时在线检测、记录、分析、监测DC/DC变换器单粒子效应试验全过程。

2.4 系统测试方法

结合加速器装置出重离子以及单粒子效应测试试验本身特点，系统在进行被试样品的的单粒子效应试验自动化测试时，如图4所示，样品测试如下方法和步骤开展试验、测试及分析等。

图4 系统测试程序

1）试验前被试品的全参数及功能测试，开帽后，被试被试品在进行一次功能测试，连接好被试品夹具及真空测试盒，初始化测试系统。

2）测试系统的安装调试，关闭辐照间门后，复验一次测试系统，配置数据采集参数（采样、阈值设定、存储路径）。

3）根据试验条件要求调谐束流，确保注量率、均匀性及光斑条件满足要求，通过测试界面上的按钮片选一只被试品，并通过自动加载按钮给被试品上电，开始辐照。

4）运行测试系统，监测被试品输出电参数，实时记录发生的试验现象，在辐照期间，被监测器件输出电压超出其设定阈值范围时，则记录相关脉冲产生的次数和宽度，当脉冲宽度明显大于正常纹波宽度，则记录一次单粒子瞬态SET。当电流超过预设最大值时，记录一次单粒子锁定SEL，当发生输出电压异常，但电流未明显增大，且被试器件不重启，无法恢复正常，则记录一次单粒子功能终止SEFI，当发生输出电压值跌至零附近，且被试器件重启，仍无法恢复正常，则记录一次单粒子烧毁SEB，当发生SEB或者注量达到试验规定的要求时，停止试验，完成第一块被试品的第一种离子辐照试验。

5）按照上述方法，进行第2块至第N块被试品顺序依次进行自动上电加载，监测每块被试品的输出电参数，直到N只样品试验完成后，结束第一轮第一种重离子试验，切换重离子种类，然后进行第二轮试验第二种重离子，以此类推完成试验规定的所有离子辐照试验。

6）结束测试试验，对试验数据统计分析，按照线性能量传输值的大小，分别统计各试验样品发生SET、SEL、SEFI的次数及对应重离子的注量，绘制单粒子效应界面与线性能量传输值关系图。

3 系统的应用验证

利用加速器束流产生的重离子107Ag13,25+（表面LET值为58.8 MeV.cm2/mg，在Si中射程为30.7 um）模拟辐照环境，使用该测试系统对混合集成电路DC/DC变换器6只样品进行测试试验（分别为XX-D5、XX-T512、XX-S3，各2只），为了确定DC/DC变换器内部器件的单粒子敏感特性，本次测试试验只对DC/DC变换器内部有源器件进行连续辐照。

如图5所示，将装夹好样品的辐照板安装在真空靶室内，通过激光定位，单粒子束被聚焦到被测元器件上。连接好样品、夹具及测试盒，初始化测试系统，靶室封盖前复验测试系统，配置数据采集参数（采样、阈值、存储路径等设定）；通过系统软件片选样品，自动上电加载工作，开始单粒子测试试验。

图5 测试系统抗辐照试验现场应用

试验首先对三类混合集成电路DC/DC变换器样品内部6个MOS管分别进行单粒子效应测试，测试系统记录的结果如表1所示。从表1中可以看出，MOS管X-740发生单粒子瞬态（以下称SET）次数最多，MOS管X-740相比MOS管X-840和MOS管X-2620抗单粒子辐照性能欠佳，它对单粒子较为敏感。从图6至图7看出，当辐照DC/DC变换器内部MOS管时，DC/DC变换器发生SET，其输出电压跳变电压幅度较大，瞬变时间变毫秒量级。

表1 MOS管单粒子效应统计表

图6为辐照MOS管2620时，2#DC/DC变换器D5电压变化图形，从图6可以看出瞬变电压幅度A在3.04~5.26 V之间，瞬变持续时间T为2.9 ms。

图6 辐照XX-D5的MOS管发生SET波形

图7为辐照MOS管840时，14#DC/DC变换器T512电压变化图形，从图7可以看出瞬变电压幅度A在3.9~5.3 V之间，瞬变持续时间T为12 ms。

图7 辐照XX-T512的MOS管发生SET波形

图8 为辐照MOS管740时，15#DC/DC变换器S3在发生多次SET后，样品无输出，关电后，重新启动，输出正常，因此判断发生DC/DC变换器发生单粒子功能中断（以下称SEFI），瞬变电压幅度A从3.3跌到0 V，跌落持续时间T约为10 ms。

图8 辐照XX-S3的MOS管发生SEFI波形

其次，对DC/DC变换器XX-T512内部PWM和PAM芯片分别进行单粒子效应试验，检测DC/DC变换器的输出，试验结果如表2所示，结合表1可以看出与PWM1843和MOS管840相比，PAM1901发生SET次数较多，但是两只样品在整个试验过程中是一直工作正常。

表2 PWM和PAM单粒子效应统计表

图9是辐照PWM1843芯片时，14#DC/DC变换器T512电压变化图形，从图6中可以看出，在0.6 s时间内，输出电压发生了3次SET现象，瞬变电压幅度A在4.3~5.17 V之间，瞬变持续时间T为10 ms以内。

图9 辐照XX-T512的PWM发生SET波形

图10是辐照PAW1901芯片时，14#DC/DC变换器T512电压变化图形，从图中可以看出，在0.9 s时间内，输出电压发生了6次SET现象，瞬变电压幅度A在4.87~5.07 V之间，瞬变持续时间T最长在2 ms以内。

图10 辐照XX-T512的PAM时发生SET波形

不难看出，对于DC/DC变换器XX-T512，其内部敏感器件为PAM、MOS、PWM，其中PAM对单粒子效应最为敏感，PWM次之，MOS管抗单粒子效应能力最强，因此，针对DC/DC变换器T512，需要进一步提高PWM和PAM的加固性能，以提升此款DC/DC变换器的抗单粒子辐照能力。

最后，对DC/DC变换器XX-S3内部比较器X-158芯片进行单粒子效应试验，检测DC/DC变换器的输出，试验结果如下表3所示，结合表1可以看出与MOS管740相比，辐照X-158发生时，该款DC/DC变换器发生SET次数较多，在发生多次SET后，样品输出电压跌为0V，如图11所示。关电后，重新启动，19#产品输出正常，因此判断19# XX-S3发生SEFI；但15#产品仍然无输出，因此判断15#XXX-S3发生单粒子损坏（SEB）。

图11 辐照XX-S3型DC/DC变换器X-158发生SEFI波形

表3 比较器单粒子效应统计表

通过对表3和图11的分析，可以看出对D XX-S3型C/DC变换器，X-158比较器较X-740MOS管更为敏感，因此对于这款DC/DC变换器，要对比较器进行加固或者选择加固性能较好的比较器，以提升此款DC/DC变换器整体抗单粒子性能。

混合集成电路DC/DC变换器辐照试验中，单粒子测试系统实现了自动高速数据采集、自动片选、自动加载、自动电源设定、试验参数设定、采集实时显示、数据回放功能于一体，满足DC/DC变换器单粒子效应试验测试要求，同时该系统在不释放靶室真空的条件下，实现了3个品种6只被试样品的的自动片选加载测试。该系统实现了数据高速自动测试采集、分析，在线实时评估抗辐照器件的加固性能，相比原有手动搭建测试平台，全程试验周期缩短了一半，实现了DC/DC变换器单粒子试验的快速、高效自动化测试系统的研制目标。

4 总结

本文自主设计、开发了混合集成电路DC/DC变换器单粒子试验测试系统，并在串列加速器上进行应用验证和评估，通过过单路、双路及三路3款DC/DC变换器的单粒子地面加固试验性能验证，该测试系统满足DC/DC变换器单粒子效应测试技术研究与工程应用。辐照试验中通过该测试系统，比对、验证、分析了混合集成电路DC/DC变换器内部敏感器件对其输出的整体影响，评估了DC/DC变换器中敏感器件的单粒子效应特性，分析了混合集成DC/DC变换器中MOS管、PWM、PAM、比较器的单粒子敏感特性，为抗辐照混合集成电路DC/DC变换器的加固改进提供设计依据和验证数据。