第28卷第2期 航 天 器 环 境 工 程 2011年4月 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 137
DC/DC变换器抗辐射试验 侯 伟，姚雨迎，卓 林 （航天东方红卫星有限公司，北京 100094）
摘要：文章以ZHDC28S05/18W型数字化DC/DC变换器（额定输入28 V，输出5 V/3.6 A）为例，制定了DC/DC变换器辐射总剂量和单粒子效应试验的方案并进行了摸底试验，根据试验结果更换了集成功率芯片LM2596-ADJ，使产品的抗辐射性能有了明显提高。 关键词：DC/DC变换器；总剂量效应；单粒子效应；抗辐射试验 中图分类号：TN406 文献标识码：A 文章编号：1673-1379(2011)02-0137-04 DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2011.02.007
0 概述 随着分散供配电体制的发展，DC/DC变换器的重要性日益体现。航天器用DC/DC变换器除具有严格电气指标以外，其空间环境效应尤为突出。产品研制完成之后，必须进行辐射总剂量和单粒子效应的摸底试验，以保证其抗辐射性能满足要求。 1 试验样品 试验样品ZHDC28S05/18W为采用厚膜工艺制造的数字化DC/DC变换器，其中的6个单粒子敏感器件分别为MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供电芯片（LM2596-3.3）、集成供电芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和数字控制器（BM2832MG）。它们均为裸芯片，通过金属压焊丝焊接在陶瓷基板上。 2 总剂量试验 2.1 试验目的 通过辐照试验，了解器件的耐电离辐射能力。辐照源为60
0C
γ射线源（辐射场在试验样品辐照面
积内的不均匀度小于10%）。 2.2 试验方案 试验现场如图1所示，被试DC/DC变换器置于辐照室内，电源、测试仪器及设备置于辐照室外。 将被试DC/DC变换器准确地放置在相应的剂量率线上并加以固定，将测试仪器、电源及负载用电
缆通过迷宫结构屏蔽体与被试样品连接起来，测试电缆的长度约为35 m。 测试系统由稳压电源、电阻负载、万用表和示波器组成，主要监视输入电压、输入电流和输出电压3个参数的变化，连接关系如图2所示。输入电压、电流从稳压电源直接读出，输出电压通过万用表测量，在负载端接示波器同时观察输出电压纹波的变化。测试仪器型号见表1。
图 1 试验现场示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the test scene
图2 测试系统连接关系示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the measurement system
表1 总剂量试验所用测试仪器 Table 1 Measuring instruments for total dose test
名 称 型 号 稳压电源 Agilent 6654A 数字万用表 Agilent N3300A 数字存储示波器 Tektronix TDS3032B
———————————— 收稿日期：2010-10-13；修回日期：2010-11-22 基金项目：“十一五”预先研究课题（项目编号：51323030216） 作者简介：侯 伟（1978—），男，硕士研究生，研究方向为卫星电源技术。联系电话：(010)68746824-159。 138 航 天 器 环 境 工 程 第28卷 试验样品：ZHDC28S05/18W型DC/DC变换器2只； 辐照剂量率：10 krad(Si)/h； 环境温度：20±5 ℃； 测试项目：输入电流，输入电压，输出电压； 失效判据：输出电压变化≥5%或输入电流变化≥10%。 试验流程如图3所示[1,3]。
开始辐照 辐照到要求的剂量
决定是否进行加速退火试验
选择剂量率点安装器件及测试电路，并进行辐照前测试
通过决定是否进行室温退火进行规定的电参数测量通过
功能失效
参数超差
进行加速退火试验进行规定的电参数测量
未通过通过未通过否是决定是否进行0.5倍额外辐照
进行0.5倍额外辐照否是
合格不合格
图3 总剂量试验流程 Fig. 3 The flowchart of total dose radiation test
2.3 试验结果及分析 1#和2#DC-DC变换器总剂量辐照试验曲线分别见图4和图5。
图4 1#DC/DC变换器总剂量辐照试验曲线
Fig. 4 The total dose radiation test curve for 1#DC/DC converter
图5 2#DC/DC变换器总剂量辐照试验曲线
Fig. 5 The total dose radiation test curve for 2#DC/DC converter
1#DC/DC变换器功能失效剂量为8.5 krad(Si)，
2#DC/DC变换器功能失效剂量为9.33 krad(Si)。当器
件功能失效前，变换器输入电流参数变化不到10%。经开盖后测量，两个变换器失效都是LM2596-ADJ（为数字控制器提供1.8 V电源）失效引起。 3 单粒子效应试验 3.1 试验目的 通过单粒子效应试验，获得器件单粒子事件LET阈值，为评价器件的单粒子效应（锁定和翻转）敏感性和DC/DC变换器的可靠性设计提供参考数据[2]。
3.2 试验方案 1）试验样品 样品为ZHDC28S05/18W型DC/DC变换器两只。 试验样品开盖后，对6个单粒子敏感裸芯片MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供电芯片（LM2596-3.3）、集成供电芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和数字控制器（BM2832MG）分别进行辐照。 2）辐射源 辐射试验采用中国原子能科学院串列静电加速器产生的重离子为辐射源。本次试验选择4种离子，其能量及LET值见表2所示。试验在真空环境中进行，束斑尺寸为1 cm×1 cm。 表2 试验选用的高能重离子 Table 2 High-energy heavy ions used in tests
离子 能量/ MeVLET值/ MeV·cm-2入射角度 在硅中
射程/µm 16O8+ 112 2.88 113
35Cl10,14+175 12.6 51.1
48Ti10,15+184 21.3 37.7
79Br12,20+238 41.9 0° 32.2
3）单粒子效应测试系统 单粒子效应测试系统如图6所示，主要监视 第2期 侯 伟等：DC/DC变换器抗辐射试验 139 输入电压、输入电流和输出电压、输出电流4个参数的变化。
图6 单粒子效应测试系统示意图 Fig. 6 Schematic diagram of the single event effect test system
4）试验流程 试验流程如图7所示。根据靶室的条件，将试验板固定在辐照支架上，保证试验装置与试验支架移动的一致性。
图7 单粒子效应试验流程 Fig. 7 Flow chart of single event effect test
试验前逐一确定每个器件的坐标，确保入射离子覆盖被测试器件的敏感区表面。对于每一个芯片的照射，先从能量较小的16O8+开始。对同一
种离子，按以下顺序对6种芯片分别进行照射：IRFR13N15D—IRFC046N—LM2596-3.3—LM2596-ADJ—AT24C164—BM2832MG。如果低能级离子照射没有发生功能异常，则更换更高能量的离子依次对芯片进行照射，直到出现DC/DC变换器功能异常后，确定该芯片的最终单粒子效应LET阈值[4-5]。DC/DC变换器功能异常的判断依据是输出
电压变化超过额定值的±5%，在本次试验中，正常输出电压范围是4.75～5.25 V。在试验时，首先确定初始注量率为1.4×104 cm2·s-1，辐照约
2 min后，若没有发生异常，则按照此注量率继续辐照，直到总注量达到107 cm-2为止，如果发生异
常则降低注量率。每种离子的注量率有所差异，但保持在(0.86～2)×104 cm2·s-1之间。
3.3 试验结果及分析 LM2596-ADJ在35Cl10,14+辐照时DC/DC变换
器出现6次异常，输出电压瞬间降为0，DC/DC变换器自动重新启动一次；在48Ti10,15+辐照时出现5
次异常，现象与35Cl10,14+辐照时相同；在79Br12,20+
辐照时完全失效，DC/DC变换器无法正常工作。BM2832MG在48Ti10,15+辐照期间出现1次异常，需
手动重新加电模块才能正常工作，在79Br12,20+辐照
期间出现4次同样的异常。 以BM2832MG（抗辐射加固芯片，LET阈值为15 MeV·cm-2）为参照基准，IRFR13N15D、
IRFC046N、LM2596-3.3、AT24C164等4个器件的抗单粒子能力要优于BM2832MG，LM2596-ADJ的抗单粒子能力低于BM2832MG。
4 结论 综合总剂量和单粒子试验的结果，以BM2832MG为参照基准，集成功率芯片LM2596-ADJ的抗辐射总剂量和单粒子能力均较差，其他器件优于BM2832MG。根据试验结果更换了LM2596-ADJ芯片。经过验证，产品的抗辐射性能有了明显提高，抗总剂量的阈值达到12.83 krad(Si)，单粒子效应阈值大于15 MeV·cm-2。
参考文献（References） [1] 于庆奎, 唐民, 朱恒静, 等. QJ10004—2008, 宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法[S]. 北京: 中国航天标准化研究所
