научная статья по теме АНАЛИЗ РАДИАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ РАДИАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ»

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 >

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

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»