DC／DC辐照损伤与VDMOS器件1／f噪声相关性研究

0 引言
    大量的研究表明，低频噪声除了与产品性能有关之外，还与产品质量和可靠性密切相关。国内外出现了一系列使用低频噪声特别是1/f噪声表征器件可靠性的方法，这些器件不仅包括二极管、三极管、MOS管、厚膜电阻、薄膜电阻、钽电容器等简单器件，还包括集成运算放大器、DSP等复杂电路的模块。通过对这些简单器件和复杂器件低频噪声的测量，人们建立了许多低频噪声模型以及表征方法，经过研究发现，低频噪声特别是1/f噪声与各类电子器件的可靠性密切相关。1/f噪声能够用于可靠性表征的原因在于产生1／f噪声的缺陷与影响器件可靠性的缺陷是相同的。
    DC／DC转换器的可靠性很大程度上依赖于其结构中的PWM、VDMOS器件(vertical conductiondouble scattering metal oxide semiconductors)、肖特基二极管及其光电耦合器等器件，大量的研究工作已证明，低频噪声可以表征这些单个器件的可靠性。本文通过对DC／DC转换器低频1／f噪声的测量来表征辐照损伤，并初步探究辐照损伤与内部的VDMOS器件的1／f噪声相关性。

1 DC／DC转换器的低频噪声测量
    图1为一个典型的单端输出隔离式DC／DC转换器原理图。

    如图1中的虚线部分所示，DC／DC转换器的输入端和输出端正负回路之间会产生寄生电容，从而产生干扰噪声。为了避免寄生电容产生的干扰，可在DC／DC转换器噪声测量电路中加入旁路电容，从而消除干扰噪声。测试电路如图2所示。图2中的电容C1、C2用以消除干扰，C3用以隔离输出直流电压信号。低频噪声电压信号通过C3，经低频噪声前置放大器后，进入数据采集卡，再由微机系统进行数据处理和分析。

    需要注意的是，由于DC／DC转换器通常具有较大的输入范围和功率，因此在设计偏置电路时应特别注意输入端分压电阻和输出端负载电阻的功率大小，如选择不慎，则易烧毁电阻，通常选择的原则如下

   

2 DC／DC转换器电离辐照实验
2．1 辐照实验方案
    卫星、航天器等空间设备处于空间辐射环境中，空间辐射是诱发航天器异常或者故障的主要原因之一。欧洲航天局的报告指出，卫星等航天器的反常现象中，有33％是由于辐射诱发产生的。因此，电子器件的辐射损伤特性和抗辐射加固一直是国内外研究的热点问题。本次实验方案参照美军标MIL-STD-883E标准和欧洲航天局有关实验方案设计。辐照源采用钴60，辐照射线为γ射线，辐照剂量率为5．70 rad(Si)／s，辐照初始剂量20 krad(Si)，辐照步长为10 krad(Si)，辐照累计总剂量为50 krad(Si)。
    实验样品采用没有经过抗辐照加固的DC／DC转换器，型号为BUP-3W24S5，样品B为普军级，样品A为商用级，输入电压为18～32 V，额定功率为3 W，额定输入电压为5 V。辐照前后分别测量DC／DC转换器在24 V和32 V输入电压下的Iin、Vout、Iout等常规电参数及其低频噪声，样品所加负载从10％额定负载到100％额定负载，步长为10％额定负载进行调节。噪声测试系统采用西安电子科技大学噪声及无损检测实验室自主研发的基于虚拟仪器的电子器件低频噪声测试系统(图2)，分别对辐照前后的DC／DC转换器样品进行低频噪声测试。
2．2 实验数据分析
    随着辐照剂量的增加，样品的电性能不断退化，商用级样品器件在辐照20 krad(Si)时即彻底损坏；普军级样品器件在40 krad(Si)以上剂量时，完全失效。普军级样品器件在40 krad(Si)以下辐照剂量时输出电压，转换效率等电参数的实验前后变化如图3所示。

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    由图3可以看出，在辐照前，无论24 V还是32 V输入，输出电压在不同负载下都表现出良好的稳定性；在辐照20 krad(Si)之后，输出电压在特定负载下就会出现明显的下降，32V输入时，输出电压下降点出现在40％负载；24 V输入时，输出电压下降点出现在60％负载。在辐照30 krad(Si)之后，无论是32 V输入还是24 V输入，输出电压均明显下降，随负载的增加，输出电压趋近于零。随着辐照总剂量的累积，样品输出功率的效率也明显变化，在总剂量达到30 krad(Si)之后，其输出功率趋近于零，此时，可认为样品已经损坏。
    测得DC／DC转换器输出噪声功率谱图后，需要进一步对频谱图进行拟合，提取DC／DC转换器的1/f噪声幅值日，研究其在辐照前后的变化。实验测得DC／DC转换器的噪声功率谱密度可写为

   
    其中的三个表征参量A、B以及γ分别表示白噪声的幅度、1／f噪声的幅度以及频率指数因子。数学上可以根据最小二乘法对曲线进行拟合，提取出A、B、γ。
    西安电子科技大学噪声及无损检测实验室自主研发的噪声分析软件能很好地实现噪声频谱的拟合与参数的提取。
    为了清楚地表明辐照前后低频噪声的变化程度与常规电参数的变化程度，将噪声参数与电参数的变化百分比计算出来，如图4。

    从图4可以看出，样品器件的低频噪声B值在辐照前后的变化幅度要远大于传统的电参数的变化，对辐照更加敏感。因此，可以将噪声作为表征DC／DC转换器抗辐照性能的一种有效补充。此外，商用级样品与普军级样品辐照前的低频噪声数据相比较时，商用级样品在辐照前的噪声幅值B无论在何种负载条件下均大于普军级样品，而且商用级样品在经过20 krad(Si)的辐照后即彻底破坏，而普军级样品在辐照总剂量达到40 krad(Si)之后才完全损坏。由此可以初步判断，DC／DC转换器辐照前的噪声幅值曰可以用来判别器件的抗辐照性能，用来筛选可靠性更高的器件。但这一结论仍需要对多种型号的器件进行大量重复性实验来予以验证，这也是下一步需要加以关注的方向之一。

3 DC／DC转换器辐照失效噪声参数与电参数相关性分析
    从前面的实验可以得出，DC／DC转换器的1/f噪声在辐照前后有明显变化，1／f噪声的这种变化是来源于DC／DC转换器内部器件的辐照失效。在电路中，l/f噪声发生变化的位置正是影响DC／DC转换器电参数变化的位置，二者的来源具有一致性。本实验以降压式直流转换器的工作原理为例，分析DC／DC转换器辐照失效的一般原理。
    图5(a)所示的是降压式直流转换器的简化线路组成图；图5(b)为由单刀双掷开关S、电感原件L和电容C组成的降压型转换器基本原理图。

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    工作过程如下：当开关S在位置a时，如图5(c)所示电流Is=IL流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当Is>IL时，电容处于充电状态，此时二极管D1承受反向电压，经时间D1Ts后(D1=Ton／Ts，Ton为S在a位时间，Ts为周期)。当开关在b位时，如图5(d)所示，由于线圈L中的磁场将改变L两端电压极性，以保持电流IL不变，负载两端电压仍是上正下负。在IL<Io时，电容处于放电状态，有利于维护Io、Vo不变。这时二极管D1承受正向偏压，电流为IL，故称为续流二极管。由于变压器输出电压小于电源电压，所以称为降压变换器。
    设D1、D2分别为开关S的接通时间占空比和断开时间占空比，在输入输出不变的前提下，开关在a位时，电感电流平均值IL=Io=Vo／R，电感电流线性上升增量为

    上式表明，输出电压随占空比而变化，设电压增益为M，则

   
    由于占空比小于1，故M小于1，因此实现降压变换。
    由此可以看出，降压型DC／DC转换器的输出与其电路开关占空比有着极为密切的关系，而在实际电路中，VDMOS和PWM等器件的性能对DC／DC转换器有着重要影响。这些器件的抗辐照性能，国内外已有许多研究，其中大量的实验和理论研究表明，VDMOS在辐照后，主要电参数如阈值电压和跨导均发生漂移。阈值电压的漂移有两种形式：对于n-VDMOS器件，阈值电压漂移为负；对于p-VDMOS器件，阈值电压漂移为正。跨导在线性区随辐照剂量的增大而减小，其中阈值电压的变化直接影响到电路占空比的变化，如果输入VDMOS的交流电压不变，则阈值电压减小，电路接通占空比增大；反之，阈值电压减小，电路占空比减小。本次实验采用BUP-3W24S5普军级的DC／DC转换器，其内部使用p-VDMOS与前文所提到的实验结论完全相符。
    除此之外，对MOSFET的1／f噪声的相关性研究表明，1／f噪声是表征MOSFET可靠性的一种有效方法，MOSFET电性能的变化程度可以反映在1/f噪声的变化上。本次实验中，对普军级样品内部的VDMOS辐照前后的低频噪声进行了测量，所得的B值如表1所示。

    由表1可以看出，辐照前后，样品内部VDMOS的1／f噪声拟合B值均有l~2个数量级的增大，这一变化规律与样品整体1／f噪声的变化规律是一致的。

4 结语
    本文通过上述分析可以看到，DC／DC转换器在辐照前后电参数的变化可以归结为由内部器件所影响的开关占空比的变化，进而归结为其中的内部器件如VDMOS。这样DC／DC转换器辐照无论是电参数还是1／f噪声变化就归因于同一原因，这些来源具有一致性。
    由于影响DC／DC转换器性能的内部器件如VDMOS、PWM、肖特基二极管、光耦等多种器件，因此要获得DC／DC转换器整体与局部噪声之间的具体关系，定量分析出内部器件的l/f噪声变化对整体1／f噪声变化的影响，还需要对DC／DC转换器内部1／f噪声做更多的研究、探索与分析，需要大量的实验数据进行验证。