CC BY
120
КЕССАРИНСКИЙ1 Леонид Николаевич; БОЙЧЕНКО2 Дмитрий Владимирович, к.т.н.
ЭФФЕКТЫ ОТ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ ВО ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ
Разработана схемотехническая, модель реакции вторичного источника питания, на воздействия, одиночных ядерных частиц. Получены, результаты, экспериментальных исследований радиационного поведения. ВИП на циклотроне «У-400М». Ключевые слова: ОЯЧ, тиристорный эффект, одиночный сбой, импульсный вторичный источник питания.
The SEE model of pulse-width. modulation. DC/DC power converters is presented. The SEE experiments data in DC/DC power converters is obtained. The analysis of DC/DC parts' SEE sensitivity is presented.
Keywords: SEE, latchup, SET, switch converter.
Источник вторичного питания (ВИП) является одним из ключевых блоков космических бортовых систем, который, помимо обеспечения питания основных узлов, выполняет функции защиты от перегрузок, обеспечения нескольких номиналов питания с требуемой точностью и др. Большинство современных ВИП для космического применения спроектированы на основе гибридных импульсных стабилизаторов напряжения, включающих мощные транзисторы, контроллеры широтноимпульсной модуляции (ШИМ), трансформаторы, оптопары и др.
Считается [1], что наиболее чувствительными к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) являются микросхемы высокой степени интеграции и мощные МОП транзисторы с вертикальным каналом. Проведенные исследования показали, что при определенных условиях и гибридные ВИП могут обладать низкими уровнями стойкости с воздействию ОЯЧ.
В качестве объекта исследований была выбрана классическая схема ВИП на основе импульсного преобразователя напряжения по понижающей схеме. Обобщенная модель в среде Multisim (National Instruments) приведена на рис. 1. Дальнейшие результаты представлены для модели с элементами из табл. 1. Выбор элементов максимально приближен к схемотехнике современных ВИП (в частности к ИВЭП27).
На первом этапе моделирования анализировались эффекты от ОЯЧ в типовых элементах, представленных в модели ВИП. Изменение выходных характеристик узлов, состоящих из чувствительных элементов, определялось по литературным данным [1 — 6]
и оригинальным экспериментальным результатам. После этого воздействие ОЯЧ на каждый функциональный блок моделировалось соответствующим изменением его выходных характеристик в рамках среды моделирования N1 МиШвіш. Основная задача моделирования поведения ВИП при воздействии ОЯЧ — определить наиболее чувствительный узел модели, радиационное поведение которого приводит к изменению параметров ВИП в целом [8 - 10].
Результаты моделирования показали, что наиболее чувствительными к воздействию ОЯЧ элементами классического ВИП являются ШИМ-контроллер и мощный транзистор. Одиночные высокочастотные переходные процессы в оптопаре мало влияют на работу ВИП, во-первых, из-за делителя сигнала, во-вторых, из-за настраиваемого порога срабатывания усилителя ошибки. Одиночные сбои в стабилитроне также не приводят к потере функционирования ВИП.
Таблица 1. Основные элементы моделируемого ВИП
Описание Элемент
Регулируемый стабилитрон TL431
ШИМ-контроллер UC3843
Оптопара MOC8101
МОП-транзистор IRF520
Рис. 1. Модель импульсного понижающего ВИП, выполненная в среде Multisim
(National Instruments)
1 - инженер ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;2 - начальник НТК-3 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»
SPEC_2011_SPT-1.indd 25
150ц 175ц 200ц 225ц 250ц 275ц 300ц
в
}вУ(оШ)
Рис. 2. Результаты моделирования выходного напряжения ВИП для разных значений ОЯЧ отклика ШИМ-контроллера. Выходное напряжение преобразователя (синяя линия), которое изменяется при пропадании управляющего сигнала ШИМ (серая линия)
О 20 40 60 80 100
Время, с
Рис. 3. Результаты измерения выходного напряжения образца 5,0 В (вскрыт ШИМ-контроллер и МОП транзистор) от времени облучения
ионами криптона
Мощный полевой транзистор, работающий в ключевом режиме, может реагировать на воздействие ОЯЧ кратковременными всплесками напряжения на стоке или истоке во время нахождения в закрытом состоянии. Такие
скачки напряжения длятся не более одного периода работы транзистора и практически не влияют на уровень выходного напряжения. Кроме обратимых эффектов, могут проявляться необратимые эффекты — прокол подза-
творного диэлектрика, пробой канала транзистора. Необратимые эффекты приводят к катастрофическому отказу транзистора и ВИП в целом. Схемотехнически типовой ШИМ-кон-троллер состоит из усилителя ошибки (компаратора), генератора импульсов, логики формирования выходного сигнала на основе показаний усилителя ошибки. Потеря одного импульса от воздействия частицы на генератор не приводит к заметному изменению выходного напряжения. Потеря серии импульсов вследствие эффектов ОЯЧ в компараторе напряжений может серьезно повлиять на работу ВИП в целом. Считается [2 — 4], что именно особенности компаратора напряжений влияют на форму и длительность отклика выходного напряжения при воздействии ОЯЧ, длительность которого может достигать сотен микросекунд.
На рис. 2 показаны результаты моделирования отклика выходного напряжения ВИП для разных значений длительности ОЯЧ-отклика ШИМ-конт-роллера. Видно, что при длительности отклика до единиц микросекунд изменение выходного напряжения ВИП не превышает 10%.
Таким образом, моделирование показало, что ОЯЧ-отклики, способные влиять на функционирование ВИП могут возникнуть либо в аналоговой части ШИМ-контроллера, либо в схеме управления МОП транзистора. Экспериментальные исследования проводились на ускорителе ионов «У-400М» (ОИЯИ, г. Дубна). Облучение проводилось ионами криптона с энергией 300 МэВ и величиной линейной потери энергии (ЛПЭ) 40 МэВ.см2/мг.
В ходе эксперимента применялась методика локального воздействия ионов с перекрыванием пучка частиц экраном. В качестве объектов исследований использовались два модуля ИВЭП27 с номиналом выходного напряжения 5,0 и 3,3 В. У образца 5,0 В от защитного компаунда были очищены кристаллы как ШИМ-контроллера, так и мощного МОП транзистора. У образца 3,3 В — только МОП транзистор.
Измерения проводились с использованием автоматизированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе серии PXI (National Instruments). Управление измерительным шасси выполнялось програм-
Время, с
Рис. 4. Результаты измерения выходного напряжения образца 3,3 В (вскрыт МОП транзистор) от времени облучения ионами криптона
Время, с
Рис. 5. Одиночные скачки выходного напряжения ВИП ИВЭП27 при воздействии ТЗЧ
мным обеспечением в среде LabVIEW (National Instruments).
В ходе эксперимента каждые 25 мс проводился контроль тока потребления и уровня выходного напряжения ВИП ИВЭП27. Результаты измерений выходного напряжения образцов 5,0 В и 3,3 В приведены на рис. 3, 4.
В образце ВИП 5,0 В с очищенными кристаллами ШИМ-контроллера и мощного МОП транзистора наблюдались одиночные эффекты, выраженные в скачках выходного напряжения амплитудой до 1 В и длительностью 25...50 мс (рис. 3). После 58 секунд от начала облучения при флюенсе порядка 6,4E + 5 см-2 наблюдался катастрофический отказ образца, проявившийся в падении выходного напряжения с 5 до 0
В. Незначительное увеличение тока потребления после катастрофического отказа образца говорит о том, что дозовая деградация мощного МОП транзистора не является доминирующим фактором отказа. Возможной причиной отказа могут быть как прокол подзатворного диэлектрика ключевого транзистора, так и отказ ШИМ-контроллера («зали-пание» выходного сигнала в одном из логических состояний) [3 — 6].
Образец ВИП 3,3 В с очищенным кри-
сталлом только мощного МОП транзистора оказался не чувствительным к воздействию ОЯЧ при углах между нормалью плоскости схемы и направлением пучка ионов: 0° и 60°. В обоих случаях ток потребления и выходное напряжение образца не изменялись в течение всего облучения ионами криптона. Проведенные экспериментальные исследования воздействия ОЯЧ на ИВЭП27 хорошо согласуются с результатами моделирования в среде МиШвіш, и подтверждают правильность методики предварительного выбора чувствительных блоков гибридной схемы ВИП
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 2004. — 320 с.
2. Testing Guidelines for Single Event Transient. Testing of Linear Devices./ Poivey C., Buchner S., Howard J., LaBel K./ NASA Goddard. Space Flight Center, 2003.
3. Total-Dose and Single-Event Effects in Switching DC/DC Power Converters./ Adell P.C., Schrimpf R.D., Choi B.K.,
SPEC_2011_SPT-1.indd 27
Holman W.T., Attwood J.P., Cirba C.R., Galloway K.F./ IEEE Trans. Nucl. Sci.,
2002. - Vol. NS-49. - № 6. — PP. 3217
— 3221.
4. Total-Dose and Single-Event Effects in DC-DC Converter Control Circuitry./ AdellP.C., Schrimpf R.D., Holman W.T., Boch J., Stacey J., Ribero P., Sternberg A., Galloway K.F./ IEEE Trans. Nucl. Sci., 2003. - Vol. NS-50. - № 6. — PP. 1867 - 1872.
5. Бойченко Д.В., Братко Д.В., Кесса-ринский Л.Н. Исследование радиационного поведения стабилизаторов напряжения разного типа./ Научная сессия МИФИ-2008. Сб. науч. трудов. Т. 8 — М.: МИФИ, 2008. —
С. 59 - 60.
6. Кессаринский Л.Н., Бойченко Д.В., Вавилов В.А. Исследование стойкости импульсных стабилизаторов к действию ионизирующего излучения и тяжелых заряженных частиц./ 10-я Российская научно-техническая конференция «Электроника, микро-и наноэлектроника». Сб. научн. трудов./ Под ред. В.Я. Стенина. - М.: МИФИ, 2008. - С.187 - 190.
7. Киргизова А.В., Скоробогатов П.К., Никифоров А.Ю., Кессаринский Л.Н., Давыдов Г.Г., Петров А.Г. Моделирование ионизационной реакции элементов КМОП КНС микросхем при импульсном ионизирующем воздействии. / Микроэлектроника.
— М.: Наука, 2008. — том 37. — №1.
— С. 28 — 44.
8. Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. и др. Расчетно-экспериментальные методы, прогнозирования эффектов одиночных сбоев в элементах современной микроэлектроники./ Микроэлектроника,
2003. — Том. 32. — № 2.
9. Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Pershenkov V.S., Skorobogatov P.K. IC's Radiation Effects Modeling and. Estimation./ Microelectronics Reliability, 2000. — V. 40. — № 12.
10. Nikiforov A.Y., Chumakov A.I. Simulation of space radiation effects in microelectronic parts./ Effects of space weather on technology infrastructure, 2004. — Kluwer Academic Publishers, Netherlands.
