УДК 621.3.049(470)
ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА СТОЙКОСТЬ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
АНАЛИЗ РАДИАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ* © 2012 г. Л. Н. Кессаринский1, 2, Д. В. Бойченко1, 2, А. Ю. Никифоров1, 2
1 ОАО "Экспериментальное научно-производственное объединение Специализированные электронные системы" (ЭНПО СПЭЛС) 2Институт экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ) Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" E-mail: lnkes@spels.ru; dvboy@spels.ru; aynik@spels.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Проанализирована типовая структура современных гибридных микросхем импульсных стабилизаторов напряжений (ИСН). Проведены экспериментальные исследования дозовых и одиночных локальных ионизационных эффектов в базовых блоках современных импульсных стабилизаторов напряжений. Предложена модель импульсных стабилизаторов напряжений для анализа одиночных эффектов, и выполнена ее экспериментальная верификация. Выявлены наиболее радиационно-чувствительные базовые блоки импульсных стабилизаторов напряжений. Даны рекомендации по повышению их радиационной стойкости.
1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных задач при разработке космической аппаратуры является создание эффективной системы электропитания. В основе современной системы питания, как правило, находится импульсный стабилизатор напряжений.
Современные импульсные стабилизаторы напряжений представляют собой сложные гибридные устройства, к которым предъявляются жесткие требования по стабильности и точности выходного напряжения, максимальной выходной мощности, гибкости управления. Использование импульсных стабилизаторов напряжений в космической аппаратуре также накладывает требования по радиационной стойкости. В ходе эксплуатации в радиационной обстановке космического пространства импульсные стабилизаторы напряжений подвергаются воздействиям электронов и протонов радиационных поясов Земли, которые вызывают дозовые ионизационные эффекты, а также тяжелых заряженных частиц и высокоэнер-гетичных протонов космического пространства, вызывающих одиночные локальные ионизационные эффекты [1—3].
Вследствие дозовых эффектов происходят постепенная временная деградация основных параметров-критериев годности импульсных стабилизаторов напряжений, прежде всего точностных параметров стабилизации выходного напряжения, а также катастрофические отказы.
* Работа выполнена в ОАО "ЭНПО СПЭЛС" и Институте экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ) НИЯУ МИФИ на основании Госконтракта с Минобрнауки России от 22.10.2010 г. № 13.G36.31.007.
Проведенные экспериментальные исследования дозового поведения более 50 типов современных импульсных стабилизаторов напряжений отечественного и иностранного производства показывают разнообразие их уровней стойкости в диапазоне от 1.2 до 360 крад (рис. 1). Широкий набор вариантов реализации приводит к сильному разнообразию показателей стойкости импульсного стабилизатора напряжений даже в пределах "близких" по характеристикам семейств. Таким образом, актуальна задача выявления наиболее чувствительных к действию радиации узлов для выработки рекомендаций по повышению уровней дозовой стойкости импульсного стабилизатора напряжений [4, 5].
Одиночные локальные ионизационные эффекты в импульсных стабилизаторах напряжений проявляются в виде мощных коротких импульсных откликов электрических параметров (токов, напряжений) и реже — катастрофических отказов. Описание наиболее критичных узлов и блоков импульсных стабилизаторов напряжений, а также конкретные экспериментальные данные по их стойкости к тяжелым заряженным частицам и высокоэнергетичных протонов) в отечественной литературе практически отсутствуют, поэтому их получение также, безусловно, актуально.
Основными узлами импульсных стабилизаторов напряжений являются:
— мощный ключевой элемент;
— усилитель ошибки;
— гальваническая развязка сигнала обратной связи;
275
3*
160 140 120 100 80 60 40 20 0
1 Hill
Ii ■!■! Iili Ii 1 ||| 1 1 1 1 i i lllllal.l-l.l IMIkI ||||| ,1 1 1 1 1 1 II IMilili 1 1
о X
^ U сс >
8ö
I + I
Q tu "
|--<£<Л<Л<Л<Л Q
^^ооооУ
XXX
CD Д
а: S
ОСОДЙ ( OfS^CO
>СО Гт1 Гт1 СС С
>oi
Q "-j ^
Q Q
Ц2|2д
§SS
fcfcMCOrn cl fiel
ОглШ^« CO üjin CO coco coco coco
M »CO ......—
¡1
ож SS
cc tu
q£
Ж 2
+ +
ь ь Ж Ж SS
+ +
ь ь жж SS
ао ао И f-ч 2 ^
ао ао
5^00 ННН
r§ss г?;?;?
2 2 н ь
£252
Н N
и <
SP
Н СС t о
X
5 Н
Н о-
£
ccZ Z
-н^и
Хио
гчОО
«л-^Х
ÖHf
höS
Рис. 1. Уровни стойкости импульсных стабилизаторов напряжения.
— широтно-импульсный модулятор.
В процессе исследований был проведен анализ строения каждого блока современных импульсных стабилизаторов напряжений. Затем были отобраны объекты для экспериментальных исследований — типовые представители элементной базы, используемой при создании импульсных стабилизаторов напряжений. Полученные экспериментальные результаты анализировались с точки зрения особенностей функционирования микросхемы в составе блока импульсных стабилизаторов напряжений. На основе анализа делался вывод о радиационной чувствительности функционального узла в составе импульсных стабилизаторов напряжений и его влиянии на характеристики преобразователя в целом.
2. АНАЛИЗ ДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ БЛОКОВ В ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРАХ НАПРЯЖЕНИЙ
Ключевые элементы
В качестве ключевых элементов в современных импульсных стабилизаторах напряжений используют мощные дискретные МОП-транзисторы. Основными дозовыми механизмами отказа данного типа транзисторов являются эффекты, связанные с накоплением объемного заряда в подзатворном диэлектрике, толщина которого достигает десятков микрометров. Для я-каналь-ных мощных МОП-транзисторов характерно уменьшение величины порогового напряжения, которое по мере накопления поглощенной дозы приводит к отпиранию транзистора. Для ^-канальных МОП-транзисторов характерно увеличение порогового напряжения по модулю с ростом величины поглощенной дозы, вплоть до напряжения пробоя затвора. Типовые вольтамперные характеристики (ВАХ) я- и ^-канальных МОП-транзисто-
ров при разных значениях уровня поглощенной дозы представлены на рис. 2 и 3 соответственно. Видно постепенное смещение ВАХ-транзисторов: я-канального — в сторону полностью открытого состояния транзистора; ^-канального — в сторону закрытого состояния. Описанное влияние дозовых эффектов экспериментально подтверждено для более двух десятков современных мощных МОП-транзисторов, применяемых в импульсных стабилизаторах напряжения.
В составе импульсных стабилизаторах напряжений деградация ключевого элемента, выполненного на основе мощных МОП-транзисторов, приводит к постепенному изменению (росту или снижению) выходного напряжения и увеличению тока потребления (из-за радиационного "приот-крывания" транзистора). Таким образом, основным результатом анализа ключевых элементов является установленный относительно низкий типовой уровень стойкости данного блока импульсного стабилизатора напряжений (обычно до 16 крад) при использовании я-канальных МОП-транзисторов. Использование ^-канальных мощных МОП-транзисторов значительно повышает уровень отказа ключевого элемента импульсного стабилизатора напряжений, но требует большей амплитуды управляющего напряжения (затвор-исток), что возможно при условии использования дополнительного задающего блока.
Усилители ошибки
Усилитель ошибки — элемент обратной связи импульсных стабилизаторов напряжений, реагирующий на разницу между выходным и опорным напряжениями, и генерирующий управляющий сигнал в случае отклонения выходного напряжения от заданной величины. В качестве усилителя ошибки применяют микросхемы операционного усилителя или компаратора напряжений.
1е + 0 1е - 1 1е - 2 1е - 3 1е - 4 < 1е - 5 1е - 6 1е - 7 1е - 8 1е - 9 1е - 10 1е - 11
В
Рис. 2. Зависимости тока стока от напряжения затвор-исток транзистора IRFI640GPBF (я-канальный) при разных уровнях поглощенной дозы.
0
1
2
3
4
5
1е + 1 1е + 0 1е - 1 1е - 2 1е - 3 1е - 4 1е - 5 1е - 6 1е - 7 1е - 8 1е - 9 1е - 10 1е - 11
3 -2 VGS, В
Рис. 3. Зависимости тока стока от напряжения затвор-исток транзистора IRLML6401 (^-канальный) для разных уровней поглощенной дозы.
Несмотря на то, что радиационное поведение данного класса элементов хорошо описано [6], литературные данные не учитывают особенности современных операционного усилителя и компаратора напряжений (широкое применение КМОП-технологии, переход на меньшие топологические нормы, ужесточение требований к характеристикам операционного усилителя и компаратора напряжений), а также особенности их работы в составе импульсных стабилизаторов напряжений. Обзор литературных данных [6-8] показывает, что основными дозовыми эффектами данного класса микросхем являются рост входно-
го напряжения смещения, рост входных токов, изменение тока потребления. В результате экспериментальных исследований дозовых отказов в более семидесяти современных типов операционного усилителя и компаратора напряжений (без учета особенностей работы в составе импульсных стабилизаторов напряжений) было установлено, что уровень параметрического отказа большинства типов не превышает 30 крад. На рис. 4, 5 показаны типовые зависимости критериальных параметров данного класса микросхем от уровня поглощенной дозы: напряжения смещения и входного тока.
PQ
20
15 -
10 -
0
20
40
100
120
60 80 В, 103 ед.
Рис. 4. Зависимости напряжения смещения ИС AD830AR от уровня поглощенной дозы.
1600 1400 1200 ^ 1000 к? 800 600 400 200
................,6........
.О'""
..с у
.о' J
о' Р / / /
/Л' ''' л 3 1
о'
nif r*^ f ¡ \ i ¡ i ¡ i i
0 20 40 60 80 100 120
В, 103 ед.
Рис. 5. Зависимости входного тока ИС CMP04FS от уровня поглощенной дозы.
5
Однако специфика режима работы усилителя ошибки в современных импульсных стабилизаторов напряжений позволяет практически нивелировать дозовую деградацию критериальных параметров операционного усилителя и компаратора напр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.