電源轉(zhuǎn)換器中的輻射效應

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

輻射效應分為兩大類：時間相關(guān)和時間隨機。與時間相關(guān)的效應稱為劑量效應，會導致器件的參數(shù)變化，例如規(guī)格超出數(shù)據(jù)表限制。

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

隨機時間效應是指 SEE。鑒于它們的隨機性(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。最后兩種效應特別適用于功率場效應晶體管，例如在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出級中使用的那些。破壞性 SEE，由于其破壞性(通過或失敗)性質(zhì)，在某些方面也相對容易評估。只要制造商執(zhí)行并正確記錄這些測試的結(jié)果，直至達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以及電氣測試條件。因此，非破壞性 SEE 比破壞性 SEE 更復雜一些。

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。因為大多數(shù)空間功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)都是基于模擬的，所以我們將重點關(guān)注 SET 和 SEFI。這些影響需要詳細表征，以確保它們的行為不會影響正常運行，也不會潛在地損壞負載。

根據(jù)負載的類型，電壓調(diào)節(jié)要求可能很嚴格。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)以及空間應用典型的老化和輻射效應。因此，對輻射效應敏感的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能會遭受大于 FPGA 精度要求的輸出電壓變化，如果輸出電壓下降(負 SET)，數(shù)據(jù)丟失，觸發(fā) FPGA 上電復位以及重新編程 FPGA 的需要。

另一方面(甚至更令人擔憂)，輸出電壓的增加(正 SET)可能違反 FPGA 的絕對最大額定電壓，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，因為它們會在下游電路中造成永久性損壞(電氣過應力)。

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

在此示例中，無需擔心超過負載的額定電壓，而是擔心負載可能會停止運行——這可能會對系統(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沒有 SEFI 的設(shè)備，達到所需的 LET eff。然而，在進行此類評估之前，這些影響的特征是至關(guān)重要的。圖 3中的 62 個重疊事件顯示了 SEFI 的可重復性。

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

需求增加

半導體工藝中的工藝節(jié)點已顯著減少，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)化為對電源電流的需求增加和對電源轉(zhuǎn)換器的嚴格監(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)，還與它在輻射效應下的性能有關(guān)。對輻射敏感的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能會對系統(tǒng)的下游性能產(chǎn)生嚴重影響，并可能損壞負載。因此，正確的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 SEE 特性有助于設(shè)計人員根據(jù)事件率計算做出正確的 POL 轉(zhuǎn)換器選擇。