Дэн Сэйбл (Dan Sable)
Гленн Скатт (Glenn Skutt)
Леонард Дж. Лесли (Leonard G. Leslie)
Сэм Л. РейнуотеР (Sam l. RainwateR)
Перевод: Сергей Самылин

В настоящей статье изложена информация о конструкции, методика испытаний и результаты испытаний с тем, чтобы обеспечить высокие показатели радиационной стойкости гибридных DC-DC преобразователей с минимальными затратами. Представлена новая конструкция POL преобразователя, устойчивого к радиационному воздействию.

Введение

Недорогие гибридные DC/DC-преобразователи с гарантированной радиационной стойкостью – не преувеличение.

Центр по снабжению Министерства обороны США, Сolumbus (DSCC) опубликовал проект плана Обеспечения радиационной стойкости применительно к стандарту MIL-PRF-38534 Приложение G, соблюдение которого требует четкой разработки конструкции, анализа и проведения испытаний. Радиационная стойкость гибридных DC/DC-преобразователей – ключ к успеху многих космических программ, для реализации которых, необходимы универсальные компактные элементы питания, отвечающие требованиям по масса-габаритным параметрам. Требования к электропитанию для многих космических подсистем меняются в ходе разработки и окончательно определяются в самом конце. Таким образом, в разработках, лимитированных во времени, чтобы не нарушать график выполнения работ, необходимо иметь в своем распоряжении готовые типовые гибридные блоки питания, соответствующих необходимым требованиям. В настоящем документе изложена информация о конструкции, методика и данные испытаний с тем, чтобы обеспечить высокие показатели радиационной стойкости гибридных DC/DC-преобразователей с минимальными затратами. Была учтена накопленная доза радиации, включающая.

Высокоинтенсивное воздействие (HDR) и низкоинтенсивное воздействие, способствующее увеличению чувствительности (ELDRS), а также были учтены последствия одиночных радиационных эффектов. Информация о конструкции включает в себя принципы построения электрических схем и выбор компонентов для обеспечения радиационной стойкости. Методы контроля включают радиационные испытания как на уровне отдельных деталей, так и на уровне преобразователя в сборе. Данные испытаний включают результаты радиационных приемочных испытаний деталей (RLAT), данные радиационных испытаний преобразователя на стойкость к дозовым эффектам (HDR и ELDRS) и результаты испытаний преобразователей на стойкость к одиночным радиационным эффектам, которые дополняют ограниченные данные об одиночных воздействиях ТЗЧ (SEE), полученные при испытаниях аналогичных преобразователей в НАСА [1].

Низкая стоимость достигается за счет использования выверенных конструктивных решений крупносерийных стандартных гибридных DC-DC преобразователей специального назначения с полупроводниками, имеющими соответствующие характеристики. В данном документе также описывается и конструкция нового радиационного стойкого POL преобразователя.

Разработка и план испытаний

Принципы контроля радиационной стойкости

Компания VPT обеспечивает гарантированную радиационную стойкость определенного уровня для стандартных гибридных DC/DC-преобразователей. Это предусматривает: устойчивость к воздействию накопленной дозы до 30 крад (Si), включая ELDRS, без сбоев в работе преобразователя согласно спецификаций и без серьезных сбоев при испытании на одиночные отказы под воздействием частиц с LET (линейная передача энергии) = 37,5 МэВ/мг/см². Для преобразователей, эксплуатируемых в условиях жесткой ионизированной среды, может потребоваться использование МОП-транзисторов, устойчивых к одиночным радиационным эффектамSEE. Экономичность достигается благодаря использованию стандартных биполярных интегральных схем (ИС), устойчивых к воздействию радиации. Благодаря детальной разработке конструкции, анализу и испытаниям отдельных компонентов и преобразователя в целом эффективность гарантируется за счет применения промышленных полупроводников, прошедших приемочные испытания на устойчивость к воздействию радиации (RLAT). Целью разработки такой конструкции является получение сертификата DSCC на соответствие стандарту Mil-PRF-38534 Приложение G –Требования по обеспечению радиационной стойкости гибридных микросхем. уровень «Р» гарантирует стойкость до 30 крад (Si).

Испытание гибридных DC/DC-преобразователей на HDR и ELDRS

Недавно компания VPT Inc. испытала типовые гибридные DC/DC-преобразователи специального назначения на устойчивость к воздействию радиации и получила хороший результат. В данных преобразователях отсутствовали «радиационно стойкие» компоненты. Испытания проводились согласно строгому, четко установленному плану. До воздействия радиации были зафиксированы следующие отправные показатели:

• Выходное напряжение (Vout — В выход.).
• Ток короткого замыкания (Isc — I к.з.).
• КПД при полной нагрузке (Eff — КПД).
• Ток на входе во время режима запрета (Iin, Inh — I вход, РЗ).

На основании своего предыдущего опыта работы компания VPT [2] установила, что данные параметры преобразователя являются наиболее уязвимыми при воздействии радиации, поэтому именно они были выбраны для контроля во время и после воздействия радиации. В частности они дают представление о работе под воздействием радиации следующих компонентов:

• Выходное напряжение: операционный усилитель, регулирующий выходное напряжение (op-amp), внутренний источник опорного напряжения на стабилитронах, ИС широтно-импульсной модуляции или ШИМ-контроллеры (ШИМ ИС, PWM ICs).
• Ток короткого замыкания: операционный усилитель, регулирующий ток короткого замыкания, ШИМ ИС.

• КПД при полной нагрузке: сопротивление МОП-транзисторов в состоянии «включено» (Rds ON), пороговое напряжение открытия (Vgth), ток утечки (Idss), ШИМ ИС.
• Ток на входе во время режима запрета: пороговое напряжение открытия и ток утечки МОП-транзисторов.

Стандартная линейка продукции компании VPT включает следующие незапатентованные серии:

• DVSA: 28 В вход., 5 Вт выход.
• DVHF: 28 В вход., 15 Вт выход.
• DVTR: 28 В вход., 30 Вт выход.
• DVFL: 28 В вход., 100 Вт выход.

Испытания на воздействие накопленной дозы радиации проводились на двух типах преобразователей из каждой серии: преобразователе на 5 В с одним выходом и преобразователе на 15 В с двумя выходами. На рис. 1 показан результат испытания преобразователя серии DVSA на 5 В с одним выходом при воздействии на него высокоинтенсивного излучения (HDR). Во время воздействия радиации на преобразователь подавалось напряжение смещение под нагрузкой. При получении дозы до 55 крад (Si) критическое изменение параметров по сравнению со спецификацией не наблюдалось.

На рис. 2 показана работа преобразователя серии DVSA на 15 В с двумя выходами при воздействии низкоинтенсивного излучения (<10 мрад (Si)/с) до 45 крад (Si). Во время воздействия радиации на преобразователь подавалось напряжение смещения и нагрузка. Как и в случае высокоинтенсивного воздействия (HDR) изменений критических параметров по сравнению со спецификацией не наблюдалось.

На рис. 3 показана реакция преобразователя серии DVFL на 15 В с двумя выходами на воздействие высокоинтенсивного излучения (HDR) до получения накопленной дозы в 55 крад (Si). На рис. 4 показана реакция преобразователя серии DVFL на 5 В с одним выходом на воздействие низкоинтенсивного излучения ELDRS до получения дозы 45 крад (Si). Во время воздействия радиации на преобразователь подавалось напряжение смещения под нагрузкой. Как и во время предыдущих испытаний не наблюдается деградации параметров данных преобразователей, электрические характеристики соответствуют спецификации. На рис. 4 видно более сильное изменение тока запрета, но его уменьшение не выходит за пределы установленных показателей. Все испытанные образцы показали стойкость к дозовым эффектам и высокие характеристики функционирования как при высокоинтенсивном, так и при низкоинтенсивном воздействии.

Приемочные радиационные испытания (RLAT) полупроводниковых компонентов выращенных на общей подложке

Основываясь на данных о чувствительности конструкций преобразователей, полученных во время предыдущих тестов, для приемочных испытаний на стойкость к дозовым эффектам (HDR, ELDRS) были выбраны следующие полупроводниковые компоненты – элементы DC/DC-конверторов:

• Операционный усилитель, используемый для контроля напряжения и ограничения тока.
• Источник опорного напряжения, используемый для настройки выходного напряжения.

• Компаратор, используемый для системы отсчета времени и блокировки питания при пониженном напряжении.

• ШИМ-контроллерыe. NPN-транзистор, используемый в качестве линейного регулятора пускового тока.
• МОП-транзисторы, используемые в качестве основного переключателя преобразователя.

Для всех указанных компонентов полупроводников были определены ключевые параметры и проведены исследования для определения максимального ухудшения показателей, которое было бы допустимо при использовании преобразователей. Цель – сохранить все параметры преобразователя мощности, предусмотренные спецификацией, до определенного уровня накопленной дозы радиации. После определения всех требований к радиационным испытаниям, было взято по 20 полупроводниковых компонентов, выращенных на общей подложке, которые были корпусированы и подвергнуты электротермотренировке в течение 240 ч. 20 образцов были разделены на четыре группы с разными условиями проведения тестирования: высокоинтенсивное воздействие с напряжением смещения, высокоинтенсивное воздействие без напряжения смещения, с разными условиями проведения тестирования радиации с напряжением смещения, низкоинтенсивное воздействие без напряжения смещения. На основании изменений параметров под воздействием радиации был проведен статистический анализ. На рисунке 5 дан пример изменения показателей тока смещения при облучении высокоинтенсивным излучением.

В большинстве случаев была отмечена незначительная разница результатов для компонентов из разных групп. Исключением является только данные, полученные при испытаниях МОП-транзисторов в зависимости от напряжения смещения на затворе. В таблице обобщены результаты испытаний полупроводниковых компонентов, за исключением МОП-транзисторов. Уровень достоверности статистического анализа, проведенного на базе 99% результатов испытаний в пределах верхних и нижних установленных значений, составляет 90%. Результаты показывают, что при накопленной дозе 45 крад (Si), все параметры остаются в пределах требований к радиационной устойчивости. Кроме того отмечается минимальная разница между результатами полученными при разной интенсивности воздействия. Разница результатов также незначительна и для различных уровней напряжения смещения.

Таблица. Статистические пределы изменений характеристикпо итогам приемочных испытаний на устойчивость к воздействию радиации на базе 99% результатов с достоверностью 90%. Накопленная доза 45 крад (Si)

Примечание. Все указанные значения находятся в пределах показаний, установленных в ходе анализа для наихудших режимов работы схемы

Результаты воздействия высоко- (HDR) и низкоинтенсивного (ELDRS) излучения на МОП-транзисторы

Результаты испытаний МОП-транзисторов из четырех групп компоненов сильно различаются. МОП-транзисторы, используемые в качестве основного переключателя в стандартных сериях преобразователей VPT, были испытаны на воздействие высокоинтенсивного (HDR) и низкоинтенсивного (ELDRS) излучения. Как и в случае с другими полупроводниками 10 образцов каждого вида МОП-транзисторов были подвергнуты высокоинтенсивному воздействию, при этом 5 образцов без подачи напряжения смещения, 5 образцов под напряжением смещения на затворе. Во время воздействия высокоинтенсивного излучения на МОП- транзисторы напряжение смещения на затворе составляло 10 В по постоянному току.

На рис. 6 показано, что смещение постоянного тока на затворе приводит к быстрому снижению Vgth (порового напряжения открытия) у образцов со смещением напряжения. При накопленной дозе 20 крад (Si) напряжение открытия Vg МОП-транзистора составило 0 В. Как описано в [3] смещение постоянным током на затворе представляет собой наихудшее условие для показателя Vgth во время воздействия радиации. МОП-транзисторы, используемые в преобразователях, испытывают нулевое напряжение смещения затвора при закрытии и как правило смещение на 20-50% при переключении рабочего цикла во время функционирования.

Если бы показатели МОП-транзисторов, используемых в гибридных преобразователях, деградировали до таких пределов при воздействии накопленной дозы радиации, наблюдалось бы существенное снижение производительности и увеличение замедленного тока на входе. Нами не было отмечено такое явление в ходе испытания преобразователей. После облучения образцы со смещением, показанные на рисунке 6, были подвержены отжигу при температуре +100 °С в течение 168 ч. После отжига все образцы показали положительное пороговое напряжение открытия.

Образцы всех МОП-транзисторов также были подвержены испытанию с воздействием низкоинтенсивного воздействия ELDRS, при этом без с напряжением смещения на затворе для 5 образов и с напряжением смещения на затворе для 5 образцов. После результатов испытаний на воздействие высокоинтенсивного излучения HDR было принято решение подать переключающее напряжение смещения на нагруженный МП-транзистор для имитации рабочего состояния. Во время облучения напряжение смещения затвора составило 40% от рабочего. На рис. 7 показаны результаты для накопленной дозы 45 крад (Si). МОП-транзисторы включенные по вышеуказанной схеме приблизились по результатам к образцам без напряжения смещения.

Данные результаты соответствуют результатам комплексных испытаний гибридных преобразователей на эффективность при замедленном входном токе.

Результаты испытаний SEE для гибридных DC/D- преобразователей

В Институте Cyclotron Техасского университета A&M было проведено испытание для оценки устойчивости стандартных гибридных преобразователей к воздействию высокоэнергетичных ионов. Проводилось тестирование двухканальных преобразователей на 5В серии DVSA, DVHF и DVTR. Испытание проводилось при использовании преобразователей без нагрузки и с полной нагрузкой при потоке 5×10³ ионов/см² в секунду для плотности потока 1×10⁶ ионов/см². Для оценки эффективности преобразователей использовалосьионы со следующими значениями ЛПЭ:

• LET = 20,9 МэВ/мг/см² (25 МэВ/u Kr);
• LET = 28,8 МэВ/мг/см² (15 МэВ/u Kr);
• LET = 53,7 МэВ/мг/см² (15 МэВ/u Xe).

Для данных испытаний одиночный сбой определяется переходный процесс по напряжению на выходе преобразователя, которое превышает определенный в спецификации уровень в 1.5-2 раза. Все преобразователи на 5 В показали отличные результаты по сравнению с преобразователями на 15 В благодаря выходной емкости, предусмотренной конструкцией. Как показано на рис. 8 и 9, скачки напряжения являются характерными для преобразователей на 5 В, но все зафиксированные скачки напряжения не превышают значений, указанные в спецификации.

Поскольку двухканальные преобразователи на 15 В обладают значительно меньшей выходной емкостьюпо сравнению с преобразователями на 5 В, для них характерны скачки напряжения, которые превышают значения, указанные в спецификации. При этом скачки напряжения в преобразователях на 15 В контролируются и могут быть снижены при использовании внешней емкости. Результаты недавних испытаний преобразователей очень близки к результатам ранее проведенных гранечительных испытаний преобразователей серии DVFL и DVTR [1]. Полное исследование параметров одиночных воздействий ведется в настоящее время.

Локализованные к нагрузке преобразователи, устойчивые к радиационному излучению

В сфере коммерческих телекоммуникационных устройств решена задача изоляции, распределения и понижения напряжения при распределении мощности и. Локализованные к нагрузке преобразователи (POL) являются главным компоновочным блоком, который обеспечивает эффективное распределение различных низких напряжений, необходимых для современных процессоров с различным напряжением и для элементов с программируемой логикой. Хотя преобразователи POL являются незаменимыми для коммерческого использования, они не могут использоваться в космической промышленности. Проектировщикам приходится использовать линейные регуляторы для различных низких напряжений или несколько полностью изолированных преобразователей. Для обоих этих вариантов требуется дополнительное пространство, эффективность при этом невысокая.

Для разработки гибридного преобразователя POL с достаточной устойчивостью к радиационному излучению для использования в космосе, проектировщику необходимо преодолеть несколько препятствий. Во-первых, по результатам тестирования современных контролеров преобразователей POL, их устойчивость к радиационному излучению является низкой. Во-вторых, МОП-транзисторы (MOSFET), используемые в преобразователях POL, оптимизированы для обеспечения низкого уровня сопротивление сток-исток в открытом положении, а также характеризуются низким начальным пороговым напряжением, что дает основание предположить, что они будут восприимчивы к воздействию дозовых эффектов. В-третьих, обычная структура, используемая в преобразователях POL, имеет специфическую полупроводниковую дорожку от входного напряжения до заземления, которая подвержена воздействию перепадов, возникающих что они будут восприимчивы к воздействию дозовых эффектов SEE.

Конструкция существующих локализованных к нагрузке гибридных преобразователей была модернизирована для обеспечения устойчивости к радиации. Компания VPT осуществляет инвестиции в испытания, проводимые лабораторией Sandia National Laboratories для POL контроллера, конструкция которого обеспечивает защиту от радиации. Результаты предварительных испытаний компании VPT подтверждают высокую устойчивость этого контроллера к воздействию радиации. Проводятся аналогичные испытания RLAT, описанные в настоящей статье, для других подверженных воздействию радиации компонентов, используемых в конструкции существующих гибридных преобразователей.

Заключение

Компания VPT предприняла необходимые шаги в производстве гибридных DC/DC-преобразователей для обеспечения надлежащей устойчивости к радиационному воздействию при обоснованных затратах. Указанные меры включают изменение конструкции, проведение анализа и испытаний гибридных преобразователей на показатели HDR, ELDRS и SEU, а также испытание HDR и SEU для элементов полупроводников RLAT. Целью является сертифицированный DSCC в соответствии со стандартом Mil-PRF-38534 Приложение G проект обеспечения радстойкости. Также компания VPT использовала данный метод при разработке нового POL преобразователя, устойчивого к воздействию радиации, который будет являться более универсальным для использования в схемах распределения питания в космической отрасли.

Авторы выражают свою благодарность Брендону С. Уитчер из лаборатории Sandia National Lab и Дэрилу Батчеру из Группы по внедрению технологии за разработку POL преобразователя, устойчивого к воздействию радиации.

Литература

1. [M. V. O’bryan et al, “Current Single Event Effects for Candidate Spacecraft Electronics for NASA,” IEEE NSREC, July, 2004.
2. [D. Sable, “Case Study: Radiation Design and Testing of Hybrid DCDC Converters,” COTS Journal, April 2002.
3. Andrew Holmes-Siedle, Len Adams, Handbook of Radiation Effects, 2nd ed., Oxford University Press, 2002.