程 銘 周洪生 余海生

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所 重慶 400060）

電流型PWM控制器單粒子脈沖瞬態(tài)效應(yīng)的試驗(yàn)研究

程 銘 周洪生 余海生

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所 重慶 400060）

采用理論分析與試驗(yàn)對比的方式，對脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)控制器的脈沖激光模擬單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient, SET)效應(yīng)的等效性進(jìn)行研究。對常用的電流型PWM控制器采用脈沖激光進(jìn)行照射試驗(yàn)，通過改變激光能量得到不同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與重離子照射條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)線狀能量傳遞值LET (Linear Energy Transfer)=65.2 MeV·cm2·mg-1的868.3MeV Xe重離子與波長1.064μm、能量為1-2 nJ的脈沖激光產(chǎn)生的SET效應(yīng)最為接近。試驗(yàn)結(jié)果為采用脈沖激光對同類型PWM控制器進(jìn)行模擬SET試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

脈沖激光，PWM控制器，等效LET，單粒子瞬態(tài)效應(yīng)

隨著航天航空技術(shù)的發(fā)展，空間輻射效應(yīng)研究急需進(jìn)一步深入，單粒子效應(yīng)是研究的重點(diǎn)之一[1]。脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)控制器廣泛應(yīng)用于各種DC/DC變換器中，對功率開關(guān)管進(jìn)行控制，其單粒子效應(yīng)對DC/DC變換器的性能具有重要影響。目前，進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的主要方法為采用高能粒子加速器生成滿足條件的重離子進(jìn)行。相比于高能粒子加速器，激光脈沖具有能量控制簡單、試驗(yàn)花費(fèi)小的優(yōu)點(diǎn)，利用脈沖激光對半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)是相對嶄新的課題。

1 試驗(yàn)機(jī)理

1.1 物理過程

重離子在器件材料中通過直接電離作用以及產(chǎn)生核反應(yīng)生成次級重離子的間接電離產(chǎn)生并累計有效電離電荷，被器件的靈敏結(jié)所收集，當(dāng)收集電荷超過某一臨界值時，器件的電學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致單粒子效應(yīng)發(fā)生。脈沖激光經(jīng)過光電效應(yīng)生成電子空穴對，通過漂移與擴(kuò)散運(yùn)動，經(jīng)過器件的靈敏結(jié)時被收集，載流子數(shù)量超過某一臨界值后，器件電路輸出端產(chǎn)生一個對應(yīng)的瞬態(tài)脈沖信號，并傳播至后續(xù)電路中，單粒子效應(yīng)發(fā)生，之后迅速完成載流子的重新分布直至復(fù)合平衡[1]。

從物理過程上看，重離子和脈沖激光在半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生單粒子效應(yīng)機(jī)理類似，都是器件對電離電荷的收集傳輸過程。

1.2 等效LET值

根據(jù)相關(guān)理論，實(shí)驗(yàn)室常用的波長λ=1.064 μm的激光在硅材料中穿透深度遠(yuǎn)大于器件靈敏層的深度，在這種弱吸收條件下，激光的線狀能量傳遞值LET (Linear Energy Transfer)可以看成均勻變化，計算公式[1]為：

式中，λ為激光波長，cm；α為吸收系數(shù)，cm-1；Eion為Si中產(chǎn)生一個電子-空穴對所需的能量，eV；?為普朗克常數(shù)；c為光速；ρ為半導(dǎo)體密度，mg·cm-3；E0為激光能量，pJ。

同時，一般情況下，硅器件表面都有一層鈍化層，用于對器件的保護(hù)。在進(jìn)行LET計算時，還必須考慮到該鈍化層對激光的反射和折射效應(yīng)。典型情況下鈍化層厚度為0.5μm，考慮到由于器件擴(kuò)散工藝導(dǎo)致的器件鈍化層不均勻性，通常取實(shí)際透射率為60%[2]。

另一方面，當(dāng)進(jìn)行較高的LET值測試時，需采用較高的激光強(qiáng)度。在這種情況下，會導(dǎo)致比較嚴(yán)重的非線性吸收現(xiàn)象，主要是雙光子吸收效應(yīng)，需要對LET值進(jìn)行修正。隨著激光強(qiáng)度的增加，由于雙光子吸收效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量減小，其具體對應(yīng)關(guān)系見圖1[3]。

圖1 Qα,β/Qα,β=0隨激光強(qiáng)度變化圖Fig.1 Relationship between Qα,β/Qα,β=0 and I0.

圖1 中，Qα,β/Qα,β=0為考慮雙光子吸收和僅有線性吸收時激光在半導(dǎo)體中沉積電荷之比；I0為激光強(qiáng)度。計算公式為：式中，w為脈沖寬度；σ為光斑面積。

在進(jìn)行LET計算時，一般先采用式(1)計算得到線性吸收下的理論值，再根據(jù)反射、折射效應(yīng)和非線性效應(yīng)對LET值進(jìn)行校正。

2 條件及方法

2.1 PWM控制器工作原理

試驗(yàn)用電流型PWM控制器為采用硅雙極功率IC工藝制造的模擬集成電路。內(nèi)部主要功能單元有5.0V基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、過流檢測電壓比較器、PWM鎖存器、欠壓鎖定電路、門電路、輸出級等，其原理框圖見圖2。

圖2 電流型PWM控制器原理圖Fig.2 Diagram of the current mode PWM controller.

以電流型PWM控制器為核心的控制系統(tǒng)為峰值電流型雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其中電壓環(huán)為外環(huán)，輸出電壓經(jīng)過采樣、誤差放大、隔離反饋后得到反饋信號送入PWM控制器，與內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)比較后產(chǎn)生誤差信號。電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，一般為逐周采樣的電流信號。誤差信號和電流信號共同對脈沖驅(qū)動信號的占空比進(jìn)行控制，到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的。峰值電流控制原理見圖3。

圖3 峰值電流控制原理Fig.3 Control principle of peak current mode.

2.2 測試系統(tǒng)

為了更真實(shí)地反映閉環(huán)PWM控制器的單粒子效應(yīng)在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中的現(xiàn)象，將控制器安裝在DC/DC變換器中，并將重要的信號從各端口引出進(jìn)行監(jiān)測。

PWM控制器的外圍線路如圖4所示。

圖4 電流型PWM控制器外圍線路圖Fig.4 Schematic of the current mode PWM controller.

DC/DC變換器采用單端正激結(jié)構(gòu)，PWM控制器采用裸芯片，供電偏置電壓VCC設(shè)置為12V，震蕩器RC設(shè)置為3.9kΩ、430pF，設(shè)置開關(guān)頻率為500kHz，電流采樣電阻0.2Ω，采樣后的電流信號通過560Ω、330pF的小型RC濾波器送入PWM控制器3腳。輸出電壓通過電阻分壓采樣后進(jìn)行誤差放大及隔離反饋后送入PWM控制器2腳。

試驗(yàn)過程中監(jiān)測的電信號包括PWM基準(zhǔn)電壓VREF、驅(qū)動脈沖信號VPWM、MOS管漏源電壓VDS和DC/DC變換器輸出電壓VO。這4個信號通過示波器探頭接入一個4通道數(shù)字示波器，在試驗(yàn)過程中實(shí)時監(jiān)測并記錄波形變化情況。

2.3 試驗(yàn)條件

重離子試驗(yàn)采用中國科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器(Heavy Ion Research Facility at Lanzhou, HIRFL)，試驗(yàn)離子種類為136Xe，初始能量2053.6MeV，硅中射程154.41μm。經(jīng)過30μm鈦窗和55mm空氣層后能量為868.3MeV，Si中射程64.7μm，LET值65.2 MeV·cm2·mg-1。試驗(yàn)時調(diào)整芯片位置，使芯片與離子輸出器鈦窗距離55mm，滿足試驗(yàn)條件。離子注量率設(shè)置為2 000ions·s-1，DC/DC變換器負(fù)載條件為50%滿載。

激光試驗(yàn)采用中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置(Pulsed Laser Single Event Effects Facility, PLSEE)，試驗(yàn)激光波長為1.064μm，脈沖寬度20ps，光斑直徑3μm。試驗(yàn)時將DC/DC變換器固定到脈沖激光試驗(yàn)裝置上，使PWM控制器處于工作狀態(tài)。設(shè)置脈沖激光源，使其按一定的頻率和能量發(fā)出激光脈沖。然后按照芯片尺寸設(shè)置工作臺，使PWM控制器按設(shè)定的x軸掃描速度、y軸偏移步長進(jìn)行移動，直至掃描完整個芯片。掃描條件：激光脈沖頻率1kHz，激光能量0.5-10nJ，光斑直徑3μm，y軸步長5μm，x軸掃描速度5mm·s-1。DC/DC變換器負(fù)載條件同重離子。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 重離子試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中由重離子作用而引起PWM控制器單粒子瞬態(tài)效應(yīng)(Single Event Transient, SET)主要有兩種模式。

第一種模式：基準(zhǔn)電壓VREF變化引起驅(qū)動脈沖VPWM變化，進(jìn)而引起VO和VDS的變化。

圖5(a)展示了試驗(yàn)過程中PWM控制器VREF的最大變化情況，異常波形的極性和變化幅度為+0.8V、-0.7V，異常持續(xù)時間從開始變化到恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)值的1%偏差范圍內(nèi)的時間為32μs。

第二種模式：基準(zhǔn)電壓 VREF不變而VPWM異常變化，進(jìn)而引起VO和VDS的變化。

圖5(b)展示了試驗(yàn)過程中在不影響PWM控制器VREF的情況下VPWM的脈沖寬度異常的情況。連續(xù)出現(xiàn)兩個周期的大占空比驅(qū)動脈沖。

圖5 868.3 MeV Xe離子引起SET效應(yīng)圖(a) 模式一，(b) 模式二Fig.5 SET caused by 868.3-MeV Xe ion. (a) Type 1, (b) Type 2

3.2 激光試驗(yàn)

在試驗(yàn)過程中隨著激光脈沖掃描到芯片的不同位置，監(jiān)測信號的變化也可分為兩種模式。掃描到基準(zhǔn)源部分，出現(xiàn)的主要SET為基準(zhǔn)電壓VREF發(fā)生波動，進(jìn)而影響其余監(jiān)測波形。掃描到誤差放大器以及輸出級時，出現(xiàn)的主要SET為驅(qū)動脈沖VPWM的異常變化。

第一種模式：基準(zhǔn)電壓VREF波動引起驅(qū)動脈沖VPWM變化。圖6展示了激光能量從0.5-10nJ變化時，PWM控制器基準(zhǔn)電壓VREF發(fā)生最大幅值變化情況。其規(guī)律為當(dāng)激光能量逐漸增加，VREF波動的幅值逐漸增大，波動的維持時間逐漸延長。

圖6 0.5nJ (a)、1nJ (b)、2nJ (c)、10nJ (d)激光能量引起SET效應(yīng)圖Fig.6 SET caused by 0.5nJ (a), 1nJ (b), 2nJ (c) and 10nJ (d) laser energy.

第二種模式：基準(zhǔn)電壓 VREF不變而VPWM異常變化。

圖7展示了激光試驗(yàn)過程中在不影響PWM控制器VREF的情況下驅(qū)動脈沖VPWM的異常變化情況。

4 分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

PWM控制器的單粒子效應(yīng)在相關(guān)文獻(xiàn)中已有論述，主要的效應(yīng)為SET，敏感單元包括電壓基準(zhǔn)、誤差放大器以及輸出級等[4-6]。對器件SET性能的評估主要針對SET特征綜合波形進(jìn)行，評估的因數(shù)有波形的極性、脈沖幅度、脈沖寬度三個方面。

試驗(yàn)用電流型PWM控制器的基準(zhǔn)源采用典型帶隙基準(zhǔn)，可提供5.0 V±1%電壓基準(zhǔn)輸出。其組成部分包括啟動電路、恒流源、內(nèi)部參考源以及過流保護(hù)電路。內(nèi)部參考源電路受到重離子轟擊或脈沖激光照射時，電離電荷被敏感元件吸收，工作點(diǎn)受到影響，引起基準(zhǔn)電壓VPWM發(fā)生突變。由于誤差放大器的正向輸入端電壓是通過VPWM分壓得到，所以基準(zhǔn)電壓VPWM又引起誤差放大器工作狀態(tài)的變化。

對于第一種SET模式，在一次SET過程中，基準(zhǔn)電壓VPWM首先異常升高，同時誤差放大器正向輸入電壓升高，這將導(dǎo)致誤差放大器輸出也升高，根據(jù)峰值電流控制原理，引起驅(qū)動脈沖VPWM展寬。之后載流子迅速復(fù)合平衡，基準(zhǔn)電壓迅速回落并在一次反向過沖后輕微振蕩恢復(fù)到正常值。在基準(zhǔn)電壓反向恢復(fù)低于5.0V的時間內(nèi)，由于誤差放大器輸出降低，將引起VPWM占空比減小甚至丟失。在SET過程中VPWM的變化將導(dǎo)致VO和VDS的變化，變化趨勢為VPWM展寬導(dǎo)致VO和VDS升高，VPWM縮窄或丟失導(dǎo)致VO和VDS降低。

對SET波形進(jìn)行定量分析，在重離子作用下采集到的基準(zhǔn)電壓VREF變化值正向?yàn)?.8V，負(fù)向?yàn)?0.7V，從電壓開始變化到恢復(fù)到正常值的時間為32μs左右。與表1的激光測試結(jié)果對比，與1-2 nJ的測試結(jié)果具有較高的相似性。

表1 不同激光能量引起VREF異常情況Table 1 VREF change caused by different laser energy.

對于第二種SET模式，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，無法對誤差放大器的輸出進(jìn)行監(jiān)控，所以引起該現(xiàn)象的可能部位為誤差放大器和輸出級。由于目前尚不能準(zhǔn)確定位，同時此種模式下的SET次數(shù)比第一種模式少得多，所以僅對此種模式現(xiàn)象進(jìn)行對比，不進(jìn)行詳細(xì)分析。

綜上，從試驗(yàn)現(xiàn)象上分析，重離子和脈沖激光的SET效應(yīng)都分為兩個模式，分別影響基準(zhǔn)電壓VREF和驅(qū)動脈沖VPWM。從信號的異常極性、幅度以及維持時間上看，波長1.064μm、能量1-2nJ的脈沖激光和LET=65.2 MeV·cm2·mg-1的868.3MeV Xe重離子作用具有相似性。

4.2 等效LET值計算

試驗(yàn)采用的激光波長為1.064μm，脈寬20ps，光斑直徑3μm。對于硅器件，Eion=3.6eV，ρ=2.33g·cm-3，h=6.626×10-34J·s，c=2.998×108m·s-1，α=10 cm-1。根據(jù)式(1)，在線性吸收的情況下1-2nJ激光能量等效LET值為82.7-165.5MeV·cm2·mg-1。

器件表面有鈍化層，在考慮表面反射和折射后，取相對透射率為60%，則激光的等效值LET修正成為49.6-99.3 MeV·cm2·mg-1。

同時由于激光能量較高，1-2nJ激光強(qiáng)度根據(jù)式(2)計算結(jié)果為0.71-1.42GW·cm-2，按圖1的對應(yīng)曲線，衰減比近似為0.74-0.66，計算得到在考慮雙光子吸收后等效值LET為36.7-65.5MeV·cm2·mg-1。理論計算得到的LET與重離子試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

5 結(jié)語

通過對重離子和脈沖激光對半導(dǎo)體產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的物理過程進(jìn)行分析對比，確認(rèn)其具有相似的物理過程。結(jié)合電流型PWM控制器的工作原理分析，分別采用LET=65.2MeV·cm2·mg-1的868.3MeV Xe重離子和波長1.064μm、能量0.5-10nJ的脈沖激光對電流型PWM控制器進(jìn)行試驗(yàn)。通過對不同能量脈沖激光引起PWM控制器的基準(zhǔn)電壓VREF和驅(qū)動脈沖信號VPWM的SET效應(yīng)波形及重離子引起的效應(yīng)波形對比，試驗(yàn)結(jié)果表明LET= 65.2MeV·cm2·mg-1的868.3 MeV Xe重離子和波長1.064 μm、能量1-2nJ的激光與引起的單粒子效應(yīng)最為接近。而理論計算1-2nJ能量的激光對應(yīng)的LET值為36.7-65.5 MeV·cm2·mg-1，考慮到折射、反射和非線性等因素難以準(zhǔn)確計算，因此試驗(yàn)結(jié)果與理論計算具有相當(dāng)?shù)奈呛闲浴Ｔ囼?yàn)結(jié)果為采用脈沖激光同類器件進(jìn)行模擬單粒子試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 馬英起. 單粒子效應(yīng)的脈沖激光試驗(yàn)研究[D]. 北京:中國科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）, 2011 MA Yingqi. The single event effects of pulse laser test[D]. Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences (Center for Space Science and Applied Research), 2011

2 Buchner S, Kang K, Stapror W J, et al. Pulsed laser-induced SEU in intergratded circuits: a practical method for hardness assurance testing[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1990, 37(6): 1825-1831

3 Melinger J S, Buchner S, McMorrow D, et al. Critical evaluation of the pulsed laser method for single event effects testing and fundamental studies[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1994, 41(6): 2574-2584

4 Mattsson S. SEE evaluation of pulse width modulators UC2843 and UC2845 from ST microelectronics[R]. European Space Agency Contract Report, 2003

5 Penzin S H, Crain R W, Crawford K B, et al. Single event effects in pulse width modulation controllers[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1996, 43(6): 2968-2973

6 Adell P C, Schrimpf R D, Holman W T, et al. Total-dose and single-event effects in DC/DC converter control circuitry[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2003, 50(6): 1867-1872

CLCTL99, TN431.1

Experimental study on single event transient of current mode PWM controller

CHENG Ming ZHOU Hongsheng YU Haisheng
(Sichuan Institute of Solid State Circuits, China Electronics Technology Group Co., Chongqing 400060, China)

Background: Pulse laser has been proved as an effective tool to simulate single event effects. It is important to evaluate the single event effects in microelectronics circuitry for space science and engineering. Purpose: By the theoretical analysis and experimental comparison, we aim to determine pulsed laser simulation of equivalent single event transient of Pulse Width Modulation (PWM) controller with heavy ion. Methods: By changing the laser energy, we obtained the experimental data under different conditions, and compared with the experimental data under the heavy ion. Results: The experimental results proved that Single Event Transient (SET) effect of 868.3-MeV Xe heavy ion which has 65.2 MeV·cm2·mg-1Linear Energy Transfer (LET) value is similar with that of 1.064 μm, 1-2nJ pulsed laser. Conclusion: The experimental results provide data supports for using the laser pulse to simulate SET test on the same type of current mode PWM controller.

Pulsed laser, Pulse Width Modulation (PWM) controller, Equivalent Linear Energy Transfer (LET), Single event transient

TL99，TN431.1

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120401

程銘，男，1982年出生，2009年于四川大學(xué)獲電力電子與電力傳動專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榭馆椪臻_關(guān)電源

2013-11-28，

2014-05-27