Эффекты от отдельных ядерных частиц во вторичных источниках питания

И сточник вторичного питания (ВИП) является одним из ключевых блоков космических бортовых систем, который, помимо обеспечения питания основных узлов, выполняет функции защиты от перегрузок, обеспечения нескольких номиналов питания с требуемой точностью и др. Большинство современных ВИП для космического применения спроектированы на основе гибридных импульсных стабилизаторов напряжения, включающих мощные транзисторы, контроллеры широтноимпульсной модуляции (ШИМ), трансформаторы, оптопары и др.

Считается [1], что наиболее чувствительными к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) являются микросхемы высокой степени интеграции и мощные МОП транзисторы с вертикальным каналом. Проведенные исследования показали, что при определенных условиях и гибридные ВИП могут обладать низкими уровнями стойкости с воздействию ОЯЧ.

В качестве объекта исследований была выбрана классическая схема ВИП на основе импульсного преобразователя напряжения по понижающей схеме. Обобщенная модель в среде Multisim (National Instruments) приведена на рис. 1 . Дальнейшие результаты представлены для модели с элементами из табл. 1 . Выбор элементов максимально приближен к схемотехнике современных ВИП (в частности к ИВЭП27).

На первом этапе моделирования анализировались эффекты от ОЯЧ в типовых элементах, представленных в модели ВИП. Изменение выходных характеристик узлов, состоящих из чувствительных элементов, определялось по литературным данным [1 – 6]

и оригинальным экспериментальным результатам. После этого воздействие ОЯЧ на каждый функциональный блок моделировалось соответствующим изменением его выходных характеристик в рамках среды моделирования NI Multisim. Основная задача моделирования поведения ВИП при воздействии ОЯЧ – определить наиболее чувствительный узел модели, радиационное поведение которого приводит к изменению параметров ВИП в целом [8 – 10].

Таблица 1. Основные элементы моделируемого ВИП

Описание	Элемент
Регулируемый стабилитрон	TL431
ШИМ-контроллер	UC3843
Оптопара	MOC8101
МОП-транзистор	IRF520

Рис. 1. Модель импульсного понижающего ВИП, выполненная в среде Multisim (National Instruments)

Результаты моделирования показали, что наиболее чувствительными к воздействию ОЯЧ элементами классического ВИП являются ШИМ-контроллер и мощный транзистор. Одиночные высокочастотные переходные процессы в оптопаре мало влияют на работу ВИП, во-первых, из-за делителя сигнала, во-вторых, из-за настраиваемого порога срабатывания усилителя ошибки. Одиночные сбои в стабилитроне также не приводят к потере функционирования ВИП.

Время, с

^ У(оШ) ₀V(gate_irf)

а

1 Millie

-I____________________________________________________________________________________________________________________________________

150ц      200ц        250ц        300ц        350ц        400ц        450ц      500ц

Время, с                                 б

Время, с                                  в

|Q VIout| ₀V(gateJrf)

Рис. 2. Результаты моделирования выходного напряжения ВИП для разных значений ОЯЧ отклика ШИМ-контроллера. Выходное напряжение преобразователя (синяя линия), которое изменяется при пропадании управляющего сигнала ШИМ (серая линия)

Рис. 3. Результаты измерения выходного напряжения образца 5,0 В (вскрыт ШИМ-контроллер и МОП транзистор) от времени облучения ионами криптона

Мощный полевой транзистор, работающий в ключевом режиме, может реагировать на воздействие ОЯЧ кратковременными всплесками напряжения на стоке или истоке во время нахождения в закрытом состоянии. Такие скачки напряжения длятся не более одного периода работы транзистора и практически не влияют на уровень выходного напряжения. Кроме обратимых эффектов, могут проявляться необратимые эффекты – прокол подза- творного диэлектрика, пробой канала транзистора. Необратимые эффекты приводят к катастрофическому отказу транзистора и ВИП в целом.

Схемотехнически типовой ШИМ-контроллер состоит из усилителя ошибки (компаратора), генератора импульсов, логики формирования выходного сигнала на основе показаний усилителя ошибки. Потеря одного импульса от воздействия частицы на генератор не приводит к заметному изменению выходного напряжения. Потеря серии импульсов вследствие эффектов ОЯЧ в компараторе напряжений может серьезно повлиять на работу ВИП в целом. Считается [2 – 4], что именно особенности компаратора напряжений влияют на форму и длительность отклика выходного напряжения при воздействии ОЯЧ, длительность которого может достигать сотен микросекунд.

На рис. 2 показаны результаты моделирования отклика выходного напряжения ВИП для разных значений длительности ОЯЧ-отклика ШИМ-контроллера. Видно, что при длительности отклика до единиц микросекунд изменение выходного напряжения ВИП не превышает 10%.

Таким образом, моделирование показало, что ОЯЧ-отклики, способные влиять на функционирование ВИП могут возникнуть либо в аналоговой части ШИМ-контроллера, либо в схеме управления МОП транзистора.

Экспериментальные исследования проводились на ускорителе ионов «У-400М» (ОИЯИ, г. Дубна). Облучение проводилось ионами криптона с энергией 300 МэВ и величиной линейной потери энергии (ЛПЭ) 40 МэВ.см ² /мг.

В ходе эксперимента применялась методика локального воздействия ионов с перекрыванием пучка частиц экраном. В качестве объектов исследований использовались два модуля ИВЭП27 с номиналом выходного напряжения 5,0 и 3,3 В. У образца 5,0 В от защитного компаунда были очищены кристаллы как ШИМ-контроллера, так и мощного МОП транзистора. У образца 3,3 В – только МОП транзистор.

Измерения проводились с использованием автоматизированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе серии PXI (National Instruments). Управление измерительным шасси выполнялось програм-

Рис. 4. Результаты измерения выходного напряжения образца 3,3 В (вскрыт МОП транзистор) от времени облучения ионами криптона

Рис. 5. Одиночные скачки выходного напряжения ВИП ИВЭП27 при воздействии ТЗЧ

мным обеспечением в среде LabVIEW (National Instruments).

В ходе эксперимента каждые 25 мс проводился контроль тока потребления и уровня выходного напряжения ВИП ИВЭП27. Результаты измерений выходного напряжения образцов 5,0 В и 3,3 В приведены на рис. 3, 4 .

В образце ВИП 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 ( рис. 3 ). После 58 секунд от начала облучения при флюенсе порядка 6,4E+5 см ^-2 наблюдался катастрофический отказ образца, проявившийся в падении выходного напряжения с 5 до 0 В. Незначительное увеличение тока потребления после катастрофического отказа образца 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) [3 – 6].

Образец ВИП 3,3 В с очищенным кри- сталлом только мощного МОП транзистора оказался не чувствительным к воздействию ОЯЧ при углах между нормалью плоскости схемы и направлением пучка ионов: 0° и 60°. В обоих случаях ток потребления и выходное напряжение образца не изменялись в течение всего облучения ионами криптона.

Проведенные экспериментальные исследования воздействия ОЯЧ на ИВЭП27 хорошо согласуются с результатами моделирования в среде Multisim, и подтверждают правильность методики предварительного выбора чувствительных блоков гибридной схемы ВИП