DC/DC辐照损伤与VDMOS器件1/f噪声相关性研究

　　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。

　　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。

　　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