VDMOS器件损伤的DC／DC转换器辐射预兆单元设计

航天用DC／DC转换器工作在太空辐射环境下，辐射损伤是其主要失效机理。DC／DC转换器的可靠性关系到整个航天器的可靠性，国内外广泛研究了DC／DC转换器辐射损伤失效机理、失效模式和抗辐射筛选与加固措施。随着航天事业发展和大量商用器件用于航天设备，迫切需要寻找新方法来保证DC／DC转换器的可靠性。国外研究人员提出把预兆单元技术用于DC／DC转换器，在不改变DC／DC变转换器拓扑结构前提下，加入监测单元，监测易损器件或DC／DC转换器参数，在DC／DC转换器失效前报警，保证DC／DC转换器的可靠性。但还未见到将预兆单元技术用于DC／DC转换器抗辐射可靠性研究。文中通过辐射失效物理和DC／DC转换器电气传输关系分析，建立VDMOS器件辐射损伤敏感参数与DC／DC转换器关键敏感参数之间的辐射损伤关系。依据辐射损伤关系设计预兆单元，在DC／DC转换器发生故障之前发出预警信号，尽快采取措施减小辐射损伤失效带来的损失。

1 预兆单元设计原理
1．1 预兆单元技术原理
电子产品预兆单元是一单元电路，它与工作电路(也叫宿主电路)集成在同一芯片上。预兆单元电路和宿主电路工作在相同的应力和环境条件下，预兆单元电路采集宿主电路所在的环境信息或实时监测宿主电路的某项参数，在宿主电路失效前发出预警信号。预兆单元技术的核心思想由可靠性浴盆曲线，如图1所示，说明浴盆曲线分为3个区域，第一个区为早期失效区，失效率较高。第二个阶段为偶然失效区，失效率较低。第三个阶段为损耗失效区，失效率明显上升，大部分产品的寿命将终止。预兆单元在设备进入损耗区前做出判断，向用户发出警报。预兆单元可分为两种，一种是加速寿命的预兆单元；一种是监测参数的预兆单元，选取电路或器件敏感且容易监测的参数，通过在线监测该参数的变化达到预警的作用。
1．2 预兆单元设计理论依据
文中采用监测参数的预兆单元，设计监测参数的预兆单元关键是确定敏感易监测的参数，然后建立监测参数与DC／DC转换器辐射损伤关系。DC／DC转换器辐射失效模式主要有输出电压漂移、转换效率下降、输出纹波增大、线性调整率和负载调整率增大等。电离辐射效应在MOS系统中产生氧化层陷阱电荷和界面态电荷，VDMOS器件总剂量辐射效应失效模式有阈值电压漂移、跨导退化、漏电流增加等。通过后续的电路分析可得敏感监测参数和辐射损伤关系。
图2所示是一单端反激变换器的典型拓扑结构图，采用脉宽调制器芯片(PWM)控制VDMOS器件的开关，VDMOS器件在转换器中用作开关作用。

(1)辐射后，VDMOS器件阈值电压负漂，当VDMOS器件阈值电压低于PWM输出电压低电平时，VDMOS器件不能关断，变压器不能传输能量，输出电压急剧下降，转换器彻底失效；(2)阈值电压负漂引起导电沟道开启增大，漏端电流增大，DC／DC转换器功耗增加而失效，国内外也有相似的报道。对于第一种失效模式，选取VDMOS器件的阈值电压和DC／DC转换器输出电压为辐射敏感参数。辐射后VDMOS器件的阈值电压不低于PWM输出电压低电平，输出电压保持稳定。对于第二种失效模式，选取VDMOS器件阈值电压和功耗为辐射敏感参数。辐射损伤引起的导通损耗开关损耗总损耗分别如式(1)～式(3)所示。

当阈值电压负漂到一个定值时，功耗过大使效率低于规定标准，DC／DC转换器失效。由上面两种失效模式分析可知，当阈值电压负漂到一个确定值时，DC／DC转换器失效。设计监测参数的预兆单元，就是监测VDMOS器件阈值电压，在阈值电压还未达到失效点时，发出报警信号。