Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ структуры, принципов построения и особенностей применения современных ИСН в космической аппаратуре
1.1. Основные виды и тенденции развития современных ИСН 17
1.2. Типовая структура и элементная база современных ИСН 20
1.3. Основные радиационные факторы космического пространства и доминирующие радиационные эффекты в ИСН
1.4. Система параметров-критериев работоспособности ИСН
1.5. Основные задачи и структура исследований 38
1.6. Выводы 41
ГЛАВА 2. Аппаратные и программные средства радиационных исследований ИСН
2.1. Основные методы и состав радиационных исследований ИСН 43
2.2. Базовые технические требования к автоматизированному испытательному комплексу ИСН
2.3. Реализация аппаратной части АИК ИСН 51
2.4. Реализация программной части АИК ИСН 57
2.5. Объектно-ориентированная модель реакции ИСН на радиационное воздействие
2.6. Выводы 76
ГЛАВА 3. Методы и средства прогнозирования и повышения радиационной стойкости ИСН и их элементов по дозовым эффектам
3.1. Базовая методика и результаты экспериментальных исследований и прогнозирования дозовой стойкости ИСН
3.2. Дозовые эффекты в ключевых элементах ИСН 87
3.3. Дозовые эффекты в усилителях ошибки ИСН 96
3.4. Дозовые эффекты в узлах гальванической развязки ИСН 103
3.5. Дозовые эффекты в ШИМ-контроллерах ИСН 108
3.6. Развитие методики прогнозирования дозовых отказов ИСН с учетом эффектов низкой интенсивности
3.7. Выводы 116
ГЛАВА 4. Методы и средства прогнозирования и повышения радиационной стойкости ИСН и их элементов по одиночным эффектам от воздействия отдельных ядерных частиц
4.1. Модель для прогнозирования одиночных эффектов ИСН при воздействии ОЯЧ
4.2. Экспериментальные исследования одиночных эффектов в ИСН на циклотроне тяжелых ионов
4.3. Экспериментальные исследования одиночных эффектов в ИСН на синхроциклотроне протонов
4.4. Экспериментальные исследования одиночных эффектов в ИСН на лазерных имитаторах
4.5. Методы повышения радиационной стойкости ИСН по одиночным эффектам
4.6. Выводы 146
Заключение 147
Литература 150
- Основные радиационные факторы космического пространства и доминирующие радиационные эффекты в ИСН
- Базовые технические требования к автоматизированному испытательному комплексу ИСН
- Дозовые эффекты в ключевых элементах ИСН
- Экспериментальные исследования одиночных эффектов в ИСН на циклотроне тяжелых ионов
Введение к работе
Диссертация направлена на решение научно-технической задачи развития методов, разработки методик и аппаратно-программных средств прогнозирования и повышения стойкости импульсных стабилизаторов напряжения к воздействию радиационных факторов космического пространства по дозовым и одиночным эффектам, имеющей существенное значение для обеспечения надежной работы систем управления космической аппаратуры.
Актуальность темы диссертации
Космическая аппаратура (КА) в процессе эксплуатации подвергается дозовым воздействиям электронов и протонов радиационных поясов Земли и воздействиям отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) - тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) и высокоэнергетичных протонов (ВЭП) космического пространства (КП). Стабильная и надежная работа систем управления КА в значительной степени обеспечивается качеством бортовой системы электропитания, основу которой составляют такие элементы, как гибридные микросхемы импульсных стабилизаторов напряжения (ИСН). Радиационные отказы ИСН могут нарушить работу всей системы питания и КА в целом. В связи с этим актуальной является задача прогнозирования и повышения стойкости ИСН к воздействиям радиационных факторов КП по дозовым и одиночным эффектам.
Уровни стойкости современных ИСН к дозовым воздействиям КП лежат в широком диапазоне значений от единиц до сотен килорад, что связано с широким многообразием конструктивно-технологических и схемных реализаций современных ИСН как в традиционном биполярном, так и в перспективных КМОП и БиКМОП базисах. Что касается одиночных эффектов, то до последнего времени было принято считать, что для микросхем относительно невысокой степени интеграции, к которым относятся ИСН, данные эффекты не критичны, поэтому соответствующие испытания и исследования практически не проводились. Однако отказы систем электропитания в ходе эксплуатации и расширение спектра анализируемых одиночных эффектов позволило выявить потенциальную возможность проявления в ИСН как хорошо известных тиристорных эффектов, так и относительно новых классов эффектов, таких как короткие импульсные ионизационные реакции на воздействия ОЯЧ - «иголки».
Поэтому выявилась необходимость проанализировать основные закономерности радиационного поведения ИСН по дозовым и одиночным эффектам, определить рациональную систему информативных параметров-критериев годности ИСН, выявить их наиболее радиационно-чувствительные узлы и блоки с учетом специфики режимов и условий функционирования ИСН в системах управления КА.
В процессе радиационных экспериментов широкого класса аналоговых интегральных схем (ИС) в составе таких функционально-неоднородных по структуре гибридных устройств, как ИСН, необходимо иметь возможность дистанционного контроля работоспособности каждой ИС непосредственно в условиях радиационного эксперимента с контролем всех основных параметров-критериев работоспособности, в широком диапазоне режимов их работы и условий эксплуатации (в диапазоне температур среды и др.). Выполнение данной задачи требует совместного использования моделирующих установок - ускорителей электронов НИЯУ МИФИ, циклотрона ОИЯИ (г. Дубна), синхроциклотрона ПИЯФ (г. Гатчина), а также рентгеновских и лазерных имитаторов ОАО «ЭНПО СПЭЛС» и ИЭПЭ НИЯУ МИФИ.
Задача обеспечения большого числа разнообразных экспериментальных исследований радиационного поведения широкого набора аналоговых ИС с привлечением моделирующих установок и имитаторов делает необходимым создание универсального автоматизированного испытательного комплекса.
Обеспечение эффективности радиационного эксперимента, а также решение задач повышения радиационной стойкости ИСН требуют моделирования одиночных радиационных эффектов и характера радиационного поведения ИСН с учетом их конструктивно-технологической и схемотехнической реализации, состава, структуры, режимов и условий работы.
Состояние исследований по проблеме
Вопросам моделирования радиационного поведения аналоговых устройств посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования представителей научной школы кафедры Электроники НИЯУ МИФИ - д.т.н. Агаханяна Т.М., д.т.н. Стенина В.Я., д.т.н. Скоробогатова П.К., к.т.н. Аствацатурьяна Е.Р., к.т.н. Рогаткина Ю.Б. - однако большинство этих исследований относились ко второй половине прошлого века, при этом объектами анализа, в основном, являлись традиционные биполярные аналоговые микросхемы усилителей и компараторов, созданные более 30 лет назад. Современные микросхемы ИСН содержат в своем составе аналоговые ИС, реализованные не только в биполярном, но также в КМОП и БиКМОП элементно- технологическом базисах и имеют существенные конструктивно-технологические и схемотехнические особенности. В работах д.т.н. Никифорова А.Ю. и к.т.н. Бойченко Д.В. представлены результаты ряда экспериментальных исследований современных аналоговых микросхем, однако и в них не определены наиболее радиационно-уязвимые узлы ИСН, не выявлены информативные параметры-критерии их годности, не установлено влияние режимов и условий работы на показатели дозовой стойкости, уровень автоматизации радиационного эксперимента явно не соответствует современным требованиям. Все представленные результаты относились исключительно к эффектам дозы и мощности дозы, а сведения об одиночных эффектах при воздействии ОЯЧ вообще отсутствуют.
Некоторые сведения об уровнях радиационной стойкости современных ИСН представлены в статьях Жданкина В.К. (ф. «ПРОСОФТ»), однако эта информация носит скорее обзорно-информационный, чем инженерно-технический характер, а представленные данные о радиационной стойкости ИСН изложены лишь в объеме официальной краткой информации предприятий-изготовителей без какого-либо научного анализа и обобщений.
Работы Харитонова П.А., Малкова С.Ю., Гончарова В.В., Прошунина П.В. (ФГУ «4 ЦНИИ МО РФ») посвящены особенностям ионизационной реакции аналоговых устройств на воздействие импульсного ионизирующего излучения в конкретных комплексах аппаратуры, что не может быть непосредственно распространено на решение задач прогнозирования стойкости к воздействию радиационных факторов КП.
Следует подчеркнуть, что теоретический анализ дозовых эффектов в элементах и узлах ИСН не имеет выраженной специфики и может быть проведен на основе хорошо разработанных модельных представлений, изложенных в работах д.т.н. Першенкова В.С., к.т.н. Согояна А.В., к.т.н. Герасимова Ю.М. (НИЯУ МИФИ). Научной базой для модельного анализа и экспериментальных исследований одиночных эффектов в ИСН являются труды д.т.н. Чумакова А.И., д.т.н. Зебрева Г.И., к.т.н. Яненко А.В. (НИЯУ МИФИ), к.т.н. Анашина В.С. (ОАО «НИИ КП»), Емельянова В.В. (ФГУП «НИИП») и Митина Е.В. (ОАО «РНИИ Электронстандарт»). Однако данные работы не учитывают специфики реализации аналоговых схем и, в частности, ИСН, в основном ориентированы на цифровые устройства, а также мощные транзисторы, и не позволяют решить поставленные в работе задачи без создания и экспериментальной верификации инженерной модели одиночных эффектов в современных ИСН с учетом специфики его состава и структуры.
Работы Цыганкова Б.В. и Панченко А.Н. (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»), к.т.н. Калашникова О.А., к.т.н. Некрасова П.В., к.т.н. Улановой А.В., к.т.н. Елесина П.В. (НИЯУ МИФИ), а также Озерова А.И. (ФГУП «НИИП») посвящены вопросам измерительных стендов для радиационных исследований. Однако в своих работах авторы уделяют основное внимание исследованию цифровых СБИС (ОЗУ, микропроцессоров, ПЛИС) и СВЧ устройств, а специфика аналоговых ИС в этих работах практически не отражена.
В целом, имеющиеся публикации как отечественных, так и зарубежных авторов не дают полной картины характера радиационного поведения современных ИСН, не выявляют критические узлы ИСН, не формируют рациональной системы параметров- критериев работоспособности ИСН, не объясняют широкий диапазон уровней стойкости современных ИСН. В литературных источниках отсутствуют: общая методика прогнозирования, описание эффективных автоматизированных средств обеспечения радиационного эксперимента аналоговых устройств с учетом расширенной системы параметров-критериев. Также в отечественной литературе отсутствуют актуальные экспериментальные данные по радиационной стойкости современных ИСН как по дозовым, так и по одиночным эффектам.
Таким образом, очевидна необходимость провести всесторонний анализ основных закономерностей радиационного поведения современных ИСН, развить методы повышения стойкости ИСН, переработать методики радиационных исследований ИСН на основе рационального выбора системы параметров-критериев работоспособности и реализовать их на современной измерительной основе. Для решения поставленных задач необходимо создать автоматизированный аппаратно-программный комплекс, способный контролировать все информативные параметры-критерии работоспособности ИСН в условиях радиационного воздействия с учетом диапазона температур среды.
Целью диссертации является разработка и развитие методов и средств прогнозирования и повышения радиационной стойкости импульсных стабилизаторов напряжения по дозовым и одиночным эффектам с учетом их конструктивно- технологической и схемотехнической реализации, режимов и условий применения, направленные на создание нового поколения радиационно-стойких источников электропитания систем управления космической аппаратурой.
Основными задачами диссертации являются:
-
Анализ тенденций развития, используемых элементно-технологических базисов, состава и структуры современных ИСН, особенностей режимов и условий их работы в космической аппаратуре с целью выбора рациональной системы параметров-критериев работоспособности ИСН, выявления критических узлов и блоков, режимов работы и условий применения с учетом дозовых и одиночных эффектов.
-
Теоретический анализ и экспериментальные исследования закономерностей радиационного поведения ИСН, выявление и моделирование доминирующих радиационных эффектов и механизмов отказов в основных функциональных узлах современных ИСН при воздействии радиационных факторов космического пространства, для выявления наиболее радиационно-чувствительных функциональных узлов современных ИСН по дозовым и одиночным эффектам.
-
Развитие модели одиночных эффектов в ИСН с учетом их конструктивно- технологической и схемотехнической реализации, состава и структуры узлов и блоков, режимов и условий их работы в аппаратуре, для разработки методов повышения радиационной стойкости ИСН и его основных функциональных узлов на основе рационального выбора состава узлов и схемотехнической реализации ИСН.
-
Разработка новых и совершенствование существующих методических и технических средств радиационных исследований ИСН, обеспечивающих возможность удаленного управления аппаратурой, автоматического управления характеристиками радиационного воздействия, задания требуемых электрических режимов и измерение всех информативных параметров-критериев работоспособности в едином автоматическом цикле с адаптацией для условий радиационного эксперимента по дозовым и одиночным эффектам.
-
Разработка методов прогнозирования и повышения радиационной стойкости ИСН и его основных функциональных узлов по дозовым и одиночным эффектам с учетом современных схемотехнических возможностей и существующей элементной базы.
Научная новизна работы:
-
-
Впервые установлены и обоснованы доминирующие механизмы радиационных отказов современных импульсных стабилизаторов напряжения и определены наиболее радиационно-чувствительные узлы в их составе, что позволило выяснить причины широкого диапазона уровней дозовых отказов и факты одиночных отказов импульсных стабилизаторов напряжения.
-
Впервые разработана и верифицирована модель реакции современных импульсных стабилизаторов напряжения, применяемых в космической аппаратуре, на воздействие отдельных ядерных частиц, позволяющая прогнозировать степень влияния радиационного отклика каждого отдельного функционального узла на одиночные эффекты в импульсных стабилизаторах в целом, выявить наиболее критичные узлы и потенциально неудачные схемотехнические решения.
-
Предложена и обоснована рациональная (необходимая и достаточная) расширенная система информативных параметров-критериев работоспособности импульсных стабилизаторов напряжения при радиационных воздействиях, обеспечивающая достоверность радиационного эксперимента при минимизации ресурсов на его подготовку и проведение.
4. Обоснована необходимость испытаний аналоговой элементной базы низкой степени интеграции на стойкость к отдельным ядерным частицам на основании результатов впервые проведенных исследований радиационного поведения широкого ряда элементов и устройств (более 40 типов), в т.ч. впервые в отечественной практике экспериментально обнаруженных одиночных эффектов в импульсных стабилизаторах напряжения.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
-
-
Разработаны базовая методика сертификации радиационной стойкости импульсных стабилизаторов напряжения и реализующий ее автоматизированный аппаратно- программный испытательный комплекс на основе платформы PXI под управлением LabVIEW (ф. National Instruments). Комплекс обеспечивает дистанционное управление и измерение всех основных параметров-критериев работоспособности современных ИСН, а также узлов и блоков в их составе. На комплекс приняты заявки: на получение свидетельства на полезную модель и на регистрацию программы для ЭВМ.
-
Разработаны программы-методики и впервые получены важные экспериментальные результаты радиационных исследований большинства типов (более 50), применяемых в отечественной космической аппаратуре современных импульсных стабилизаторов напряжения и более 60 типов их функциональных узлов как отечественного (ОАО «НПП «ЭлТом», ОАО «Интеграл», ОАО «СКТБ РТ»), так и иностранного производства (Analog Devices, Texas Instruments, Interpoint, VPT Inc, ON Semiconductor, Traco Power, Allegro MicroSystems, STMicroelectronics, Unitrode, International Rectifier, National Semiconductor, Linear Technology, Avago Tech и др.).
-
Разработаны и верифицированы практические рекомендации по повышению радиационной стойкости ИСН на основе (1) замещения оптической развязки трансформаторами в блоке гальванической развязки сигнала обратной связи, (2) применения p-канальных МОП транзисторов в качестве мощного ключевого элемента и (3) по преимущественной реализации ШИМ-контроллеров, операционных усилителей и компараторов в составе ИСН в биполярном базисе. Данный подход позволяет проектировать ИСН с уровнем дозовой стойкости более 200 крад и уровнем чувствительности к ОЯЧ с ЛПЭ более 90 МэВ-см /мг.
-
Результаты диссертации внедрены в ЗАО «НТЦ «Модуль» при проектировании бортового информационно-вычислительного комплекса аппаратуры «Глонасс» и «Луч-5» (запущены и работают на орбите), в ФГУП «ЦНИИ «Комета» при проектировании бортового радиотехнического комплекса изделия 14Ф142, в ФГУП ГНПРКЦ
«ЦСКБ-Прогресс» при комплектовании комплексов аппаратуры изделий 14Ф137 и 14Ф142, в ОАО «Российские космические системы» при проектировании космической аппаратуры «Казсат-2», в ЗАО «ПКК Миландр» при проектировании радиационно-стойкой элементной базы 1310ПН1У и 1309ЕР1Т, в НПК «Технологический центр МИЭТ» при создании радиационно-стойкой элементной базы.
-
-
-
Результаты диссертации вошли в проекты нормативных документов Минобороны РФ по контролю и обеспечению радиационной стойкости ЭКБ на этапах их проектирования и производства, разработанные в рамках НИР «Литтос-ку», а также в проекты отраслевых нормативных документов Роскосмоса по контролю радиационной стойкости ЭКБ для комплектования космической аппаратуры, разработанные в рамках НИР «Рад».
-
Результаты экспериментальных исследований радиационного поведения ИС отечественного и иностранного производства, полученные в ходе выполнения диссертации, вошли в Отраслевую информационно-справочную систему «Роскосмоса» по стойкости ЭКБ к естественным ИИ КП, созданную ОАО «НИИ КП», и используются разработчиками при создании отечественной космической аппаратуры.
Результаты, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Комплекс впервые полученных экспериментальных данных и эмпирических модельных представлений по радиационным откликам и уровням стойкости широкого ряда элементов и устройств, применяемых в космической аппаратуре (более 110 типов), что позволило установить причины широкого диапазона уровней дозовых отказов и факты одиночных отказов импульсных стабилизаторов напряжений.
-
Модель реакции современных импульсных стабилизаторов напряжения, применяемых в космической аппаратуре, на воздействие отдельных ядерных частиц, позволяющая выявить наиболее критичные узлы и потенциально неудачные схемотехнические решения.
-
Базовая методика сертификации радиационной стойкости импульсных стабилизаторов напряжения и реализующий ее универсальный автоматизированный аппаратно-программный испытательный комплекс, реализованный на основе платформы PXI под управлением LabVIEW ^.National Instruments) и обеспечивающий контроль рациональной расширенной системы параметров-критериев.
-
Схемотехнические рекомендации для создания радиационно-стойких импульсных стабилизаторов напряжения с уровнем дозовой стойкости более 200 крад и уровнем чувствительности к эффектам от отдельных ядерных частиц с линейными потерями энергии более 90 МэВ-см /мг., основанные на (1) замещении оптической развязки трансформаторами в блоке гальванической развязки сигнала обратной связи, (2)
применении p-канальных МОП транзисторов в качестве мощного ключевого элемента и (3) преимущественной реализации контроллеров широтно-импульсной модуляции, операционных усилителей и компараторов в составе стабилизаторов в биполярном базисе.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на "Научных сессиях НИЯУ МИФИ" (Москва, 2006-2011 гг.); на Российских научно-технических конференциях "Электроника, микро- и наноэлектроника" (г. Пушкинские Горы 2007 г., г. Петрозаводск 2008 г., г. Н.Новгород 2009 г.), Российских научных конференциях "Радиационная стойкость электронных систем" (Стойкость-2008, Стойкость-2009, Стойкость-2010, Стойкость-2011) г. Лыткарино, Международной научно-технической конференции "RADECS-2011" г. Севилья, Испания.
Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах (в период с 2005 по 2011 гг.), в том числе 4 в реферируемых журналах из перечня ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 160 страниц, в том числе 88 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 105 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Основные радиационные факторы космического пространства и доминирующие радиационные эффекты в ИСН
Одной из важных задач при разработке систем управления космической аппаратуры (КА) является создание эффективной системы электропитания. В большинстве случаев первичный источник питания по стабильности, параметрам помехозащищенности или уровню напряжения оказывается непригодным для питания КА. Поэтому возникает необходимость в использовании блока преобразования энергии. В основе современной системы преобразования энергии питания, как правило, находится импульсный стабилизатор напряжения (ИСН) [1-4].
Современные ИСН представляют собой сложные гибридные устройства, к которым предъявляются жесткие требования по стабильности и точности выходного напряжения, максимальной выходной мощности, гибкости управления и коэффициенту полезного действия. Использование ИСН в космической аппаратуре также накладывает требования по радиационной стойкости. В ходе эксплуатации в радиационной обстановке космического пространства ИСН подвергаются воздействиям электронов и протонов радиационных поясов Земли, которые вызывают дозовые ионизационные эффекты, а также отдельные заряженные частицы (ОЯЧ) и высокоэнергетичные протоны (ВЭП) космического пространства, вызывающих одиночные локальные ионизационные эффекты [5].
Электропитание систем управления современных КА, как правило, строится вокруг мощного ИСН, выполненного по гибридной технологии на основе принципов широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Принципы ШИМ позволяют повысить эффективность преобразования сигнала на больших мощностях (120 Вт) до 87%, а также снизить нагрузку на ключевой элемент, который работает в импульсном режиме. Гибридная технология исполнения позволяет располагать бескорпусные элементы максимально близко на специальной плате, в едином корпусе, что оптимизирует отношение выходной мощности к площади и массе устройства [3, 6].
Существуют четыре классические схемы ИСН, на основе которых реализовано большинство современных импульсных стабилизаторов [3,4].
Первый тип - понижающий ИСН ("step-down converter", "buck converter"). На рис. 1.1 представлена его упрощенная схема. Понижающий ИСН обеспечивает стабильное выходное напряжение не выше входного, а в реальных устройствах - ниже входного. Ключевой элемент VT в открытом состоянии передает энергию от входного источника Un в катушку индуктивности L, а затем в нагрузку. В закрытом состоянии ключа VT катушка индуктивности L выступает в роли источника тока. Система управления (СУ) с помощью цепи обратной связи следит за уровнем выходного напряжения и задает временные интервалы открытого и закрытого состояния ключевого элемента.
Упрощенная схема повышающего ИСН Второй тип - повышающий ИСН ("step-up converter", "boost converter"). Данный тип стабилизатора обеспечивает на выходе стабильное напряжение с уровнем больше, чем у входного напряжения. На рис. 1.2 показана упрощенная схема повышающего ИСН.
Принцип работы следующий: когда ключевой элемент VT находится в открытом состоянии к катушке индуктивности L прикладывается все напряжение источника питания Un, под действием которого в контуре источник - катушка -ключевой элемент нарастает ток и накапливается энергия в катушке индуктивности L. Ток нагрузки определяется разрядом конденсатора С. Когда ключевой элемент VT закрывается ток, катушки индуктивности замыкается в контуре катушка - диод - нагрузка. Таким образом, накопленная энергия в катушке индуктивности передается в нагрузку и определяет уровень выходного напряжения.
Третий тип - инвертирующий ИСН ("buck-boost converter", "step-up/down converter") позволяет получать выходное напряжение как большего значения по сравнению с входным, так и меньшего. На рис. 1.3 представлена упрощенная схема инвертирующего ИСН.
Принцип работы данного типа ИСН также основан на чередовании режимов ключевого элемента VT. Когда транзистор VT открыт - к катушке индуктивности L прикладывается все напряжение источника питания Un. Под действием этого напряжения в контуре источник - катушка - ключевой элемент нарастает ток и накапливается энергия в катушке индуктивности L. Ток нагрузки определяется разрядом конденсатора С. Когда ключевой элемент VT закрывается, ток катушки индуктивности замыкается в контуре катушка -нагрузка - диод. Таким образом, энергия, накопленная в катушке, передается в нагрузку и определяет уровень выходного напряжения. Четвертый тип - обратноходовой ИСН ("flyback converter"). Основным элементом данного стабилизатора является запасающий энергию трансформатор.
Анализ структуры современных ИСН [4, 6, 7] показывает, что в одном устройстве могут быть реализованы несколько цепей преобразования. Например, модуль DVCH2815D (производства Delta VPT Inc.) имеет два выхода: +15В, -15В. Модуль DVHF+28515T (производства Delta VPT Inc.) имеет три выходных напряжения: +15В, -15В и +5В. Не зависимо от конкретной схемы реализации микросхемы, существует набор основных функциональных узлов (рис. 1.5): мощный ключевой элемент (1), усилитель ошибки (2), блок гальванической развязки сигнала обратной связи (3), широтно-импульсный модулятор (4). Рис. 1.5. Структурная схема современного ИСН
Обзор литературных источников посвященных принципам построения ИСН, а также официальной документации на современные ИСН показывает, что в качестве ключевого элемента большинство как отечественных (ОАО «НПП «ЭлТом», ОАО «СКТБ РТ»), так и иностранных разработчиков (Interpoint, Delta VPT, Traco Power, Texas Instruments, 3D Plus, Vicor и др.) использует мощные дискретные n-канальные МОП транзисторы, выполненные по вертикальной технологии. МОП транзисторы с каналом р-типа применяют реже, поскольку они уступают по своим характеристикам п-канальным [1, 7-15]. Важнейшими параметрами ключа являются: мощность, напряжение и ток, коммутируемые в нагрузку; частота коммутации и длительность интервалов переключения; потери в ключе или КПД. В [1] приведен расчет ключевого элемента на основе различных транзисторов.
Базовые технические требования к автоматизированному испытательному комплексу ИСН
Исследованиям на МУ присущи существенные недостатки. Так, дистанционный характер измерений (длина измерительных линий может составлять десятки метров) и высокий уровень помех и наводок на ускорителях не позволяет реализовать измерение многих информативных характеристик микросхем непосредственно в процессе ИВ. Относительно малая доступность, низкая оперативность и производительность, в целом высокая стоимость «кванта испытательной информации» не позволяют во многих случаях реализовать информативный объем испытаний, необходимый и достаточный для обеспечения достоверной оценки PC ИСН.
Имитирующие установки (имитаторы) - источники ИВ различной физической природы, обеспечивающие адекватные проявление и моделирование доминирующих эффектов в ИСН и основных ФУ, вызываемых воздействием РВ в реальных условиях эксплуатации.
Испытания с использованием имитаторов основаны на обеспечении эквивалентного воспроизведения при имитирующих ИВ (рентгеновском, альфа-частиц, лазерном и других) характера изменения параметров и проявления эффектов (отказов, сбоев и т.п.) в ИСН и их ФУ по сравнению с реальными РВ по критерию адекватности моделирования доминирующих эффектов (соответственно, дозовых, структурных повреждений и др.). Следует отметить, что по отношению к электронному и протонному излучениям КП широко используемые при испытаниях гамма и нейтронные излучения изотопных источников и реакторов являются имитирующими, а сами источники -выступают в качестве имитаторов. Имитационные методы экспериментального моделирования основаны на гипотезе, что радиационный отклик ИСН и их ФУ представим в виде суперпозиции ограниченного набора доминирующих радиационных эффектов (мощности дозы, дозовых, структурных повреждений, локальных ионизационных и др.). Тогда выбор базового набора имитаторов определяется на основе корреляционных связей "радиационная обстановка - взаимодействие -эффекты - имитаторы", который на примере РВ КП представлен на рис. 2.1.
Адекватность имитационного моделирования обеспечивается эквивалентностью между доминирующим эффектом и типом энерговыделения от воздействия имитатора, которое соответствует нормированному воздействию реального радиационного источника.
Методы испытаний описываются в соответствующих стандартах, например методы испытаний к климатическим и механическим ВВФ приведены в ГОСТ 16962 [32]. В работе рассмотрены особенности испытаний электронной компонентной базы (ЭКБ) на воздействие радиационных ВВФ - радиационные испытания [33].
Основные требования к средствам и методам испытаний радиационной стойкости, составу испытательного оборудования, техническим характеристикам и последовательности испытаний описаны в нормативных документах: РД В 319.03.31-99. Рациональный состав и последовательность испытаний изделий электронной техники на радиационную стойкость. Руководящий документ МО РФ, 1999 г.
РД В 319.03.22-97. Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общие методики имитационных испытаний. Руководящий документ МО РФ, 1997 г.
РД В 319.03.52-2004. «Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общая методика лазерных имитационных испытаний в широком диапазоне уровней и длительностей импульсов специальных факторов, а также температуры среды» 9 М.: МО РФ, 2004.
ОСТ 11.073.013-03. Часть (10). Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Испытания на стойкость к воздействию специальных факторов и импульсную электрическую прочность.
РД В 319.03.24-97. Методы испытаний и оценки стойкости больших и сверхбольших интегральных схем к одиночным сбоям от воздействия отдельных высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства. Руководящий документ МО РФ, 1997 г.
Исследования ИСН на PC как правило проводят в следующей последовательности.
Проведению испытаний ИСН предшествуют подготовительные операции, которые включают [34]:
выбор типа МУ или имитатора (по результатам анализа доминирующих эффектов и конструктивного исполнения микросхемы);
определение норм испытаний; выбор параметров-критериев работоспособности ИСН и их ФУ (с учетом особенностей их функционирования); выбор методов и технических средств контроля (измерения) значений параметров и функционирования; подготовку экспериментального комплекса (источника с конструктивными средствами, в том числе для испытаний в диапазоне температур, средств определения параметров воздействия, дозиметрического сопровождения испытаний, устройств управления, задания режима работы, измерения электрических параметров и контроля функционирования микросхем); подготовку образцов микросхем (например, удаление крышки корпуса при лазерных и рентгеновских испытаниях) и контактирующих устройств к испытаниям.
Контактирующие устройства должны обеспечивать доступ испытательных воздействий к кристаллу микросхем (с учетом проникающих способностей воздействий), возможность подключения по схеме испытаний, задания электрического и функционального режимов работы, а также измерения контролируемых параметров микросхем в соответствии с нормативными документами.
Исследования ИСН и их ФУ с использованием имитаторов проводят при интегральном или локальном воздействиях (соответственно, на весь кристалл изделия или на отдельные его элементы и части).
Исследования радиационной стойкости микросхем к дозовым эффектам проводят с использованием рентгеновских источников, изотопных источников, источников импульсного электронного, тормозного рентгеновского, гамма-нейтронного и протонного излучений.
Исследования радиационной стойкости микросхем к структурным повреждениям проводят с использованием изотопного имитационного источника, источника импульсного гамма-нейтронного изучения, ускорителя протонов.
Исследования радиационной стойкости микросхем к локальным эффектам проводят с использованием лазерного имитатора, изотопного имитатора, ускорителя протонов, ускорителей ионов.
Дозовые эффекты в ключевых элементах ИСН
Функциональный узел ключевого элемента подробно описан в главе 1. В ходе работы было установлена степень влияния радиационной деградации узла ключевого элемента на радиационное поведение ИСН. Для этого в ходе работы было экспериментально исследовано радиационное поведение более 30 типов современных дискретных мощных МОП транзисторов, выполненных преимущественно по вертикальной технологии, и проведено моделирование реакции ИСН как отклик на деградацию МОПТ. Общие принципы, использованные установки, АИК и методы исследования МОП транзисторов аналогичны разработанной базовой методике исследования ИСН.
Система параметров-критериев МОП транзисторов состояла из порогового напряжения и остаточного тока стока. На рис. 3.4 приведена схема включения при исследовании п-канального МОП транзистора. VT - проверяемый транзистор; 1 - вольтметр постоянного напряжения; 2 миллиамперметр постоянного тока; S1 - переключатель.
В ходе облучения транзисторы находились в активном состоянии. Контроль работоспособности осуществлялся АИК реализовавшем классическую схему контролирования параметров миллиамперметром при измерении остаточного тока стока IDSs при положении переключателя S1 в положении 1 и вольтметром при измерении порогового напряжения Vos(th) ПРИ положении переключателя S1 в положение 2. Перед переключением переключателя S1 из положения 1 в положение 2 напряжение UD плавно уменьшалось до нуля. После переключения переключателя S1 из положения 2 в положение 1 напряжение UD плавно увеличивалось до максимального значения. Радиационное поведение мощных МОП транзисторов лучше всего продемонстрировать на результатах нескольких представителей, показавших разные темпы деградации параметров (Рис. 3.5 - 3.9).
Основным радиационным эффектом для р-МОП транзисторов является рост (по модулю) порогового напряжения, при этом остаточный ток стока меняется незначительно вплоть до предельных значений уровней поглощенной дозы.
Основным радиационным эффектом для п-МОП транзисторов является снижение порогового напряжения, сопровождаемое ростом остаточного ток стока. В конечном счете транзистор перестает закрываться (Рис. 3.10-3.13).
Анализ результатов подтверждает соответствие радиационного поведения мощных транзисторов существующим теоретическим моделям дозовых эффектов, связанных с объемным радиационно-индуцированным зарядом подзатворного окисла, толщина которого может достигать десятков микрометров, и, в меньшей степени, с накоплением поверхностных состояний [21]. Доминирование процесса накопления объемного заряда окисла приводит к изменению порогового напряжения. В целом, установлено, что мощные МОП транзисторы имеют относительно невысокие уровни параметрического дозового отказа - рис. 3.14.
Типовые уровни дозовой стойкости мощных МОПТ Анализ результатов проведенных экспериментальных радиационных исследований выявил значимое различие между дозовыми откликами п- и р-канальных мощных МОП транзисторов, что определяется спецификой электрических режимов их работы в качестве ключевых элементов ИСН. Для п-канальных мощных МОП транзисторов отмечено уменьшение величины порогового напряжения, которое по мере накопления поглощенной дозы приводит к отпиранию транзистора (т.е. функциональному отказу). Для р-канальных МОП транзисторов - с ростом величины поглощенной дозы, пороговое напряжение по модулю увеличивается (рис. 3.15), что может быть скомпенсировано в аппаратуре.
Реализация ключевых элементов на р-МОП транзисторах и применение дополнительного преобразователя уровня управляющего сигнала (что зачастую можно реализовать штатными функциями ШИМ-контроллера) позволит повысить уровень дозовой стойкости данного функционального узла ИСН на порядок и более. Один из вариантов реализации радиационной стойкого ИСН на основе использования мощного р-МОПТ предложен в [47]. Таким образом, в работе установлен доминирующий механизм дозовой деградации ключевого элемента и предложены рекомендации по повышению уровня дозовой стойкости этого узла ИСН.
3.3. Дозовые эффекты в усилителях ошибки ИСН
Было установлено влияние деградации элементов узла усилителя ошибки на параметры ИСН, скорректирована система параметров-критериев для ОУ, КН с учетом особенностей работы в составе узла усилителя ошибки, выявлены неудачные схемотехнические решения и даны рекомендации по повышению стойкости данного ФУ и стабилизатора в целом. Общие методики проведения эксперимента, использованные нормативные документы, установки, и АИК аналогичны разработанной базовой методике исследования ИСН.
На первом этапе были проведены экспериментальные исследования современных дискретных аналоговых микросхем ОУ и КН. Общая методика исследований дозового поведения данных классов ИС аналогична базовой методике исследования ИСН. В ходе эксперимента проверялись все статические и динамические режимы работы ИС для выбора наихудшего режима облучения. В табл. 3.3. приведены исследованные типы, технологии, а также краткие комментарий по критериальному параметру (деградация которого определяла параметрический отказ ИС).
Схема включения ИС (на примере ОУ) при испытаниях показана на рис. 3.18. Измерение параметров осуществлялось с помощью АИК, реализовавшем классическую схему измерения параметров ОУ.
Проведенные в работе экспериментальные исследования ИС ОУ и КН с учетом специфики применения в ИСН показали, что дозовая деградация зависит от типа технологии, по которой изготовили ИС.
Для биполярных микросхем в первую очередь проявляется в возрастании значений входного напряжения смещения и входных токов, ухудшении АЧХ (для ОУ), искажении формы выходного сигнала (для ОУ), ухудшении выходных логических уровней (для КН). На рис. 3.19-3.21 приведены типовые зависимости критериальных параметров биполярных микросхем ОУ и КН.
Экспериментальные исследования одиночных эффектов в ИСН на циклотроне тяжелых ионов
Пробег использованных ионов в кремнии составляет несколько десятков мкм (табл. 4.2). Таким образом, необходимо проводить декапсуляцию кристаллов образцов от защитного компаунда перед проведением исследований. Данное обстоятельство имеет как очевидный недостаток - возможность повредить кристалл при декапсуляции, высокая трудоемкость, так и преимущество - очищая разные кристаллы (селективная декапсуляция), появляется возможность определить наиболее чувствительный.
Первые экспериментальные исследования проведены на ИСН ИВЭП27 (ОАО «СКТБ РТ», г. Великий Новгород), результаты которых подтвердили выводы моделирования о чувствительных блоках ИСН: ключевые элементы, ШИМ-контроллер и усилитель ошибки.
Исследовались модули ИВЭП27 с номиналом выходного напряжения 5,0 В и 3,3 В. У 5,0 В образца от защитного компаунда были очищены кристаллы как ШИМ-контроллера так и мощного МОП транзистора. В то время как у 3,3 В -только МОП транзистор.
В ходе эксперимента периодически проводился контроль тока потребления и уровня выходного напряжения ИСН ИВЭП27. Результаты измерений выходного напряжения 5,0 В и 3,3 В образцов приведены на рис. 4.13 и 4.14.
Результаты измерения выходного напряжения 3,3 В образца (вскрыт МОП транзистор) от времени облучения ионами криптона
В образце ИСН (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
После 58 секунд после начала облучения при флюенсе порядка 6,4Е+5 см 2 образец отказал: выходное напряжение упало с 5В до ОВ. е.о
Незначительное увеличение тока потребления после катастрофического отказа ИСН ИВЭП27 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 («залипание» выходного сигнала в одном из логических состояний) [103].
Образец ИСН (3,3В) с очищенным кристаллом только мощного МОП транзистора оказался не чувствительным к воздействию ОЯЧ. Облучение образца проводилось при разных углах между нормалью плоскости схемы и направлением пучка ионов: 0 (вместе с первым образцом одновременно) и 60 (только второй образец). При угле облучения 60 эффективное значение ЛПЭ ионов увеличивается в l/cos(60) раз и достигает значения порядка 80 МэВ.см /иг. В обоих случаях ток потребления и выходное напряжение образца не изменялись в течение всего облучения ионами криптона.
Таким образом, одиночные переходные процессы ИСН ИВЭП27 хорошо согласуются с результатами моделирования в среде Multisim, и подтверждают правильность методики предварительного выбора чувствительных к воздействию ОЯЧ узлов ИСН. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что самыми чувствительными узлами ИСН к эффектам ОЯЧ являются ШИМ-контроллер с усилителем ошибки и ключевой элемент.
С использованием разработанной модели реакции ИСН, адаптированного АИК и отработанного алгоритма проведены экспериментальные исследования эффектов от ОЯЧ в современных ИСН (табл. 4.3).
Одиночные эффекты от ОЯЧ в различных узлах в составе ИСН
Проведено экспериментальное исследование эффектов от ОЯЧ в ФУ модулей ИСН семейства РТН производства ф. Texas Instruments (PTH03060WAH, PTH05060WAH, PTH12060WAH). Нарис. 4.16. представлены фотографии образцов до и после декапсуляции основных узлов. ИСН представляют собой бескорпусные микросборки, что дает возможность применять метод селективного декапсулирования и фактически облучать частицами ФУ по-отдельности, а контролировать параметры ИСН.
Исследования проводились на ускорителе ионов «У-400М» (ОИЯИ, г. Дубна) с использованием разработанного АИК. Все исследуемые образцы были разделены на две группы: а) облучение со стороны декапсулированных кристаллов ШИМ-контроллера и усилителя ошибки, б) облучение со стороны мощных выходных МОП транзисторов. Результаты исследования представлены на рис. 4.17 - 4.21.
Радиационное поведения ИСН при облучении ионами выходных мощных МОП транзисторов можно объяснить дозовой деградацией последних. Повышение тока потребления ИСН и отсутствие изменения выходного напряжения говорит об уменьшении порогового напряжения ключевых элементов при нормальной работе узлов усилителя ошибки и ШИМ-контроллера.
Основные одиночные эффекты (тиристорный эффект, одиночные переходные процессы) от ОЯЧ в ИСН проявлялись при облучении ИС ОУ и ШИМ-контроллера, которые, как и предполагалось, являются наиболее чувствительными элементами к эффектам от ОЯЧ.
Проведение экспериментальных исследований на циклотроне тяжелых ионов в ОИЯИ (г. Дубна) дает возможность воздействовать пучками ионов разных элементов т.е. с разными значениями ЛПЭ, что позволяет определить порог возникновения одиночных эффектов, поучить зависимость сечения эффектов от ЛПЭ частиц. Но при этом существенной трудностью является необходимость проводить декапсуляцию исследуемых кристаллов из-за малой длины пробега ионов в кремнии (для доступных энергий пучка). Когда очистить от защитного покрытия не повредив сами кристаллы невозможно, как в случае ИСН серии TEN, экспериментальные исследования к воздействию ВЭП проводились на МУ сихроциклотроне 1ГэВ протонов в ПИЯФ (г. Гатчина). Ускоренные до 1 ГэВ протоны имеют хорошую проникающую способность, поэтому появляется возможность проводить эксперименты «на воздухе», в диапазоне температур, несколько образцов за один сеанс облучения (установленных подряд в одну линию).
Экспериментальные исследования ИСН серии TEN TEN5-2411, TEN3-2410, TEN5-2423, TEN10-2411, TEN25-2411 (ф. Тгасо Power) на стойкость к одиночным эффектам с целью выявления возможности возникновения тиристорного эффекта при воздействии высокоэнергетичных протонов и определения сечения тиристорного эффекта.
Похожие диссертации на Методы и средства прогнозирования и повышения стойкости импульсных стабилизаторов напряжения к воздействию радиационных факторов космического пространства
-
-
-
-
-
-
-
-
