電源轉(zhuǎn)換器中的輻射效應(yīng)

除了現(xiàn)代電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)的嚴(yán)格電氣要求外，設(shè)計(jì)人員還需要考慮輻射效應(yīng)。在某些情況下，輻射效應(yīng)要求可能不如電氣要求那么明顯。

輻射效應(yīng)分為兩大類：時(shí)間相關(guān)和時(shí)間隨機(jī)。與時(shí)間相關(guān)的效應(yīng)稱為劑量效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致器件的參數(shù)變化，例如規(guī)格超出數(shù)據(jù)表限制。

有兩類劑量效應(yīng)：總電離劑量和中子/質(zhì)子劑量。由于其時(shí)間依賴性，劑量效應(yīng)通?？梢院芎玫亓炕屠斫?。因此，設(shè)計(jì)人員可以輕松選擇適合任務(wù)時(shí)間配置的航天級(jí)功率器件。

隨機(jī)時(shí)間效應(yīng)是指 SEE。鑒于它們的隨機(jī)性(在某些情況下是破壞性的)，理解 SEE 并將它們置于電源調(diào)節(jié)系統(tǒng)的上下文中可能更具挑戰(zhàn)性。SEE 有兩種類型：破壞性和非破壞性。

破壞性 SEE 包括單事件閂鎖、單事件柵極破裂和單事件燒毀。最后兩種效應(yīng)特別適用于功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，例如在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出級(jí)中使用的那些。破壞性 SEE，由于其破壞性(通過或失敗)性質(zhì)，在某些方面也相對(duì)容易評(píng)估。只要制造商執(zhí)行并正確記錄這些測(cè)試的結(jié)果，直至達(dá)到特定的有效線性能量轉(zhuǎn)移 (LET eff )，工程師就可以選擇適合任務(wù)軌道的設(shè)備。

非破壞性 SEE 包括 SET、SEU 和單事件功能中斷 (SEFI)。非破壞性 SEE 的影響通常表現(xiàn)為設(shè)備輸出上的故障。毛刺的幅度和行為將取決于 LET eff以及電氣測(cè)試條件。因此，非破壞性 SEE 比破壞性 SEE 更復(fù)雜一些。

SET 和 SEFI 是通常與模擬設(shè)備相關(guān)的效果;SEU 適用于數(shù)字電路中發(fā)生位翻轉(zhuǎn)的數(shù)字設(shè)備。因?yàn)榇蠖鄶?shù)空間功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)都是基于模擬的，所以我們將重點(diǎn)關(guān)注 SET 和 SEFI。這些影響需要詳細(xì)表征，以確保它們的行為不會(huì)影響正常運(yùn)行，也不會(huì)潛在地?fù)p壞負(fù)載。

根據(jù)負(fù)載的類型，電壓調(diào)節(jié)要求可能很嚴(yán)格。如前所述，高性能、符合太空要求的 FPGA 通常需要 ±4% 的內(nèi)核電壓調(diào)節(jié)精度。該百分比包括電氣交流和直流調(diào)節(jié)以及空間應(yīng)用典型的老化和輻射效應(yīng)。因此，對(duì)輻射效應(yīng)敏感的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)遭受大于 FPGA 精度要求的輸出電壓變化，如果輸出電壓下降(負(fù) SET)，數(shù)據(jù)丟失，觸發(fā) FPGA 上電復(fù)位以及重新編程 FPGA 的需要。

另一方面(甚至更令人擔(dān)憂)，輸出電壓的增加(正 SET)可能違反 FPGA 的絕對(duì)最大額定電壓，并可能損壞器件。功率器件輸出上的大幅度(>4%)過沖是最具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗鼈儠?huì)在下游電路中造成永久性損壞(電氣過應(yīng)力)。

TPS50601-SP的 SEFI 示例，這是一款來自 Texas Instruments 的航天級(jí) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。SEFI 發(fā)生在 LET eff = 86 MeV-cm 2 /mg 時(shí)，恢復(fù)時(shí)間約為 4 ms。

在此示例中，無需擔(dān)心超過負(fù)載的額定電壓，而是擔(dān)心負(fù)載可能會(huì)停止運(yùn)行——這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。乍一看，最好的解決方案似乎是選擇一個(gè)沒有 SEFI 的設(shè)備，達(dá)到所需的 LET eff。然而，在進(jìn)行此類評(píng)估之前，這些影響的特征是至關(guān)重要的。圖 3中的 62 個(gè)重疊事件顯示了 SEFI 的可重復(fù)性。

在重離子表征之后，可以計(jì)算事件率來評(píng)估設(shè)備是否適合給定的應(yīng)用。德州儀器計(jì)算了低地球軌道 (LEO) 應(yīng)用(例如國(guó)際空間站和地球同步軌道 (GEO) 應(yīng)用)的事件率。事件率表明圖 3中所示的 SEFI 行為在 LEO 應(yīng)用中每 700,000 年發(fā)生一次，在 GEO 應(yīng)用中每 210,000 年發(fā)生一次。

需求增加

半導(dǎo)體工藝中的工藝節(jié)點(diǎn)已顯著減少，數(shù)字內(nèi)核的電源電壓現(xiàn)在低于 1 V。隨著數(shù)字內(nèi)核處理能力的提高，這些變化轉(zhuǎn)化為對(duì)電源電流的需求增加和對(duì)電源轉(zhuǎn)換器的嚴(yán)格監(jiān)管要求。

這種調(diào)節(jié)要求不僅與 POL 轉(zhuǎn)換器的電氣性能有關(guān)，還與它在輻射效應(yīng)下的性能有關(guān)。對(duì)輻射敏感的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的下游性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并可能損壞負(fù)載。因此，正確的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 SEE 特性有助于設(shè)計(jì)人員根據(jù)事件率計(jì)算做出正確的 POL 轉(zhuǎn)換器選擇。