DC/DC輻照損傷與VDMOS器件1/f噪聲相關(guān)性研究

大量的研究表明，低頻噪聲除了與產(chǎn)品性能有關(guān)之外，還與產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性密切相關(guān)。國內(nèi)外出現(xiàn)了一系列使用低頻噪聲特別是1/f噪聲表征器件可靠性的方法，這些器件不僅包括二極管、三極管、MOS管、厚膜電阻、薄膜電阻、鉭電容器等簡單器件，還包括集成運算放大器、DSP等復(fù)雜電路的模塊。通過對這些簡單器件和復(fù)雜器件低頻噪聲的測量，人們建立了許多低頻噪聲模型以及表征方法，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，低頻噪聲特別是1/f噪聲與各類電子器件的可靠性密切相關(guān)。1/f噪聲能夠用于可靠性表征的原因在于產(chǎn)生1／f噪聲的缺陷與影響器件可靠性的缺陷是相同的。

　　DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性很大程度上依賴于其結(jié)構(gòu)中的PWM、VDMOS器件(vertical conductiondouble scattering metal oxide semiconductors)、肖特基二極管及其光電耦合器等器件，大量的研究工作已證明，低頻噪聲可以表征這些單個器件的可靠性。本文通過對DC／DC轉(zhuǎn)換器低頻1／f噪聲的測量來表征輻照損傷，并初步探究輻照損傷與內(nèi)部的VDMOS器件的1／f噪聲相關(guān)性。

　　1 DC／DC轉(zhuǎn)換器的低頻噪聲測量

　　圖1為一個典型的單端輸出隔離式DC／DC轉(zhuǎn)換器原理圖。

　　如圖1中的虛線部分所示，DC／DC轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端正負(fù)回路之間會產(chǎn)生寄生電容，從而產(chǎn)生干擾噪聲。為了避免寄生電容產(chǎn)生的干擾，可在DC／DC轉(zhuǎn)換器噪聲測量電路中加入旁路電容，從而消除干擾噪聲。測試電路如圖2所示。圖2中的電容C1、C2用以消除干擾，C3用以隔離輸出直流電壓信號。低頻噪聲電壓信號通過C3，經(jīng)低頻噪聲前置放大器后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，再由微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

　　需要注意的是，由于DC／DC轉(zhuǎn)換器通常具有較大的輸入范圍和功率，因此在設(shè)計偏置電路時應(yīng)特別注意輸入端分壓電阻和輸出端負(fù)載電阻的功率大小，如選擇不慎，則易燒毀電阻，通常選擇的原則如下

　　2 DC／DC轉(zhuǎn)換器電離輻照實驗

　　2．1 輻照實驗方案

　　衛(wèi)星、航天器等空間設(shè)備處于空間輻射環(huán)境中，空間輻射是誘發(fā)航天器異?；蛘吖收系闹饕蛑?。歐洲航天局的報告指出，衛(wèi)星等航天器的反?，F(xiàn)象中，有33％是由于輻射誘發(fā)產(chǎn)生的。因此，電子器件的輻射損傷特性和抗輻射加固一直是國內(nèi)外研究的熱點問題。本次實驗方案參照美軍標(biāo)MIL-STD-883E標(biāo)準(zhǔn)和歐洲航天局有關(guān)實驗方案設(shè)計。輻照源采用鈷60，輻照射線為γ射線，輻照劑量率為5．70 rad(Si)／s，輻照初始劑量20 krad(Si)，輻照步長為10 krad(Si)，輻照累計總劑量為50 krad(Si)。

　　實驗樣品采用沒有經(jīng)過抗輻照加固的DC／DC轉(zhuǎn)換器，型號為BUP-3W24S5，樣品B為普軍級，樣品A為商用級，輸入電壓為18～32 V，額定功率為3 W，額定輸入電壓為5 V。輻照前后分別測量DC／DC轉(zhuǎn)換器在24 V和32 V輸入電壓下的Iin、Vout、Iout等常規(guī)電參數(shù)及其低頻噪聲，樣品所加負(fù)載從10％額定負(fù)載到100％額定負(fù)載，步長為10％額定負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)。噪聲測試系統(tǒng)采用西安電子科技大學(xué)噪聲及無損檢測實驗室自主研發(fā)的基于虛擬儀器的電子器件低頻噪聲測試系統(tǒng)(圖2)，分別對輻照前后的DC／DC轉(zhuǎn)換器樣品進(jìn)行低頻噪聲測試。

　　2．2 實驗數(shù)據(jù)分析

　　隨著輻照劑量的增加，樣品的電性能不斷退化，商用級樣品器件在輻照20 krad(Si)時即徹底損壞；普軍級樣品器件在40 krad(Si)以上劑量時，完全失效。普軍級樣品器件在40 krad(Si)以下輻照劑量時輸出電壓，轉(zhuǎn)換效率等電參數(shù)的實驗前后變化如圖3所示。

　　由圖3可以看出，在輻照前，無論24 V還是32 V輸入，輸出電壓在不同負(fù)載下都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；在輻照20 krad(Si)之后，輸出電壓在特定負(fù)載下就會出現(xiàn)明顯的下降，32V輸入時，輸出電壓下降點出現(xiàn)在40％負(fù)載；24 V輸入時，輸出電壓下降點出現(xiàn)在60％負(fù)載。在輻照30 krad(Si)之后，無論是32 V輸入還是24 V輸入，輸出電壓均明顯下降，隨負(fù)載的增加，輸出電壓趨近于零。隨著輻照總劑量的累積，樣品輸出功率的效率也明顯變化，在總劑量達(dá)到30 krad(Si)之后，其輸出功率趨近于零，此時，可認(rèn)為樣品已經(jīng)損壞。

　　測得DC／DC轉(zhuǎn)換器輸出噪聲功率譜圖后，需要進(jìn)一步對頻譜圖進(jìn)行擬合，提取DC／DC轉(zhuǎn)換器的1/f噪聲幅值日，研究其在輻照前后的變化。實驗測得DC／DC轉(zhuǎn)換器的噪聲功率譜密度可寫為

　　其中的三個表征參量A、B以及γ分別表示白噪聲的幅度、1／f噪聲的幅度以及頻率指數(shù)因子。數(shù)學(xué)上可以根據(jù)最小二乘法對曲線進(jìn)行擬合，提取出A、B、γ。

　　西安電子科技大學(xué)噪聲及無損檢測實驗室自主研發(fā)的噪聲分析軟件能很好地實現(xiàn)噪聲頻譜的擬合與參數(shù)的提取。

為了清楚地表明輻照前后低頻噪聲的變化程度與常規(guī)電參數(shù)的變化程度，將噪聲參數(shù)與電參數(shù)的變化百分比計算出來，如圖4。

　　從圖4可以看出，樣品器件的低頻噪聲B值在輻照前后的變化幅度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的電參數(shù)的變化，對輻照更加敏感。因此，可以將噪聲作為表征DC／DC轉(zhuǎn)換器抗輻照性能的一種有效補(bǔ)充。此外，商用級樣品與普軍級樣品輻照前的低頻噪聲數(shù)據(jù)相比較時，商用級樣品在輻照前的噪聲幅值B無論在何種負(fù)載條件下均大于普軍級樣品，而且商用級樣品在經(jīng)過20 krad(Si)的輻照后即徹底破壞，而普軍級樣品在輻照總劑量達(dá)到40 krad(Si)之后才完全損壞。由此可以初步判斷，DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照前的噪聲幅值曰可以用來判別器件的抗輻照性能，用來篩選可靠性更高的器件。但這一結(jié)論仍需要對多種型號的器件進(jìn)行大量重復(fù)性實驗來予以驗證，這也是下一步需要加以關(guān)注的方向之一。

　　3 DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照失效噪聲參數(shù)與電參數(shù)相關(guān)性分析

　　從前面的實驗可以得出，DC／DC轉(zhuǎn)換器的1/f噪聲在輻照前后有明顯變化，1／f噪聲的這種變化是來源于DC／DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部器件的輻照失效。在電路中，l/f噪聲發(fā)生變化的位置正是影響DC／DC轉(zhuǎn)換器電參數(shù)變化的位置，二者的來源具有一致性。本實驗以降壓式直流轉(zhuǎn)換器的工作原理為例，分析DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照失效的一般原理。

　　圖5(a)所示的是降壓式直流轉(zhuǎn)換器的簡化線路組成圖；圖5(b)為由單刀雙擲開關(guān)S、電感原件L和電容C組成的降壓型轉(zhuǎn)換器基本原理圖。

　　工作過程如下：當(dāng)開關(guān)S在位置a時，如圖5(c)所示電流Is=IL流過電感線圈L，電流線性增加，在負(fù)載R上流過電流Io，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負(fù)。當(dāng)Is>IL時，電容處于充電狀態(tài)，此時二極管D1承受反向電壓，經(jīng)時間D1Ts后(D1=Ton／Ts，Ton為S在a位時間，Ts為周期)。當(dāng)開關(guān)在b位時，如圖5(d)所示，由于線圈L中的磁場將改變L兩端電壓極性，以保持電流IL不變，負(fù)載兩端電壓仍是上正下負(fù)。在IL

　　設(shè)D1、D2分別為開關(guān)S的接通時間占空比和斷開時間占空比，在輸入輸出不變的前提下，開關(guān)在a位時，電感電流平均值IL=Io=Vo／R，電感電流線性上升增量為

　　上式表明，輸出電壓隨占空比而變化，設(shè)電壓增益為M，則

　　由于占空比小于1，故M小于1，因此實現(xiàn)降壓變換。

　　由此可以看出，降壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器的輸出與其電路開關(guān)占空比有著極為密切的關(guān)系，而在實際電路中，VDMOS和PWM等器件的性能對DC／DC轉(zhuǎn)換器有著重要影響。這些器件的抗輻照性能，國內(nèi)外已有許多研究，其中大量的實驗和理論研究表明，VDMOS在輻照后，主要電參數(shù)如閾值電壓和跨導(dǎo)均發(fā)生漂移。閾值電壓的漂移有兩種形式：對于n-VDMOS器件，閾值電壓漂移為負(fù)；對于p-VDMOS器件，閾值電壓漂移為正?？鐚?dǎo)在線性區(qū)隨輻照劑量的增大而減小，其中閾值電壓的變化直接影響到電路占空比的變化，如果輸入VDMOS的交流電壓不變，則閾值電壓減小，電路接通占空比增大；反之，閾值電壓減小，電路占空比減小。本次實驗采用BUP-3W24S5普軍級的DC／DC轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部使用p-VDMOS與前文所提到的實驗結(jié)論完全相符。

　　除此之外，對MOSFET的1／f噪聲的相關(guān)性研究表明，1／f噪聲是表征MOSFET可靠性的一種有效方法，MOSFET電性能的變化程度可以反映在1/f噪聲的變化上。本次實驗中，對普軍級樣品內(nèi)部的VDMOS輻照前后的低頻噪聲進(jìn)行了測量，所得的B值如表1所示。

　　由表1可以看出，輻照前后，樣品內(nèi)部VDMOS的1／f噪聲擬合B值均有l(wèi)~2個數(shù)量級的增大，這一變化規(guī)律與樣品整體1／f噪聲的變化規(guī)律是一致的。

　　4 結(jié)語

　　本文通過上述分析可以看到，DC／DC轉(zhuǎn)換器在輻照前后電參數(shù)的變化可以歸結(jié)為由內(nèi)部器件所影響的開關(guān)占空比的變化，進(jìn)而歸結(jié)為其中的內(nèi)部器件如VDMOS。這樣DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照無論是電參數(shù)還是1／f噪聲變化就歸因于同一原因，這些來源具有一致性。

　　由于影響DC／DC轉(zhuǎn)換器性能的內(nèi)部器件如VDMOS、PWM、肖特基二極管、光耦等多種器件，因此要獲得DC／DC轉(zhuǎn)換器整體與局部噪聲之間的具體關(guān)系，定量分析出內(nèi)部器件的l/f噪聲變化對整體1／f噪聲變化的影響，還需要對DC／DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部1／f噪聲做更多的研究、探索與分析，需要大量的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。