0 引言

　　大量的研究表明，低頻噪聲除了與產(chǎn)品性能有關(guān)之外,，還與產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性密切相關(guān)。國內(nèi)外出現(xiàn)了一系列使用低頻噪聲特別是1/f噪聲表征器件可靠性的方法,，這些器件不僅包括二極管,、三極管、MOS管,、厚膜電阻,、薄膜電阻、鉭電容器等簡單器件,，還包括集成運(yùn)算放大器,、DSP等復(fù)雜電路的模塊。通過對這些簡單器件和復(fù)雜器件低頻噪聲的測量,，人們建立了許多低頻噪聲模型以及表征方法,，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，低頻噪聲特別是1/f噪聲與各類電子器件的可靠性密切相關(guān),。1/f噪聲能夠用于可靠性表征的原因在于產(chǎn)生1／f噪聲的缺陷與影響器件可靠性的缺陷是相同的,。

　　DC／DC轉(zhuǎn)換器的可靠性很大程度上依賴于其結(jié)構(gòu)中的PWM、VDMOS器件(vertical conductiondouble scattering metal oxide semiconductors),、肖特基二極管及其光電耦合器等器件,，大量的研究工作已證明，低頻噪聲可以表征這些單個(gè)器件的可靠性,。本文通過對DC／DC轉(zhuǎn)換器低頻1／f噪聲的測量來表征輻照損傷,，并初步探究輻照損傷與內(nèi)部的VDMOS器件的1／f噪聲相關(guān)性。

　　1 DC／DC轉(zhuǎn)換器的低頻噪聲測量

　　圖1為一個(gè)典型的單端輸出隔離式DC／DC轉(zhuǎn)換器原理圖,。

　　如圖1中的虛線部分所示,，DC／DC轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端正負(fù)回路之間會(huì)產(chǎn)生寄生電容，從而產(chǎn)生干擾噪聲,。為了避免寄生電容產(chǎn)生的干擾,，可在DC／DC轉(zhuǎn)換器噪聲測量電路中加入旁路電容，從而消除干擾噪聲,。測試電路如圖2所示,。圖2中的電容C1、C2用以消除干擾,，C3用以隔離輸出直流電壓信號,。低頻噪聲電壓信號通過C3，經(jīng)低頻噪聲前置放大器后,，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡,，再由微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

　　需要注意的是,，由于DC／DC轉(zhuǎn)換器通常具有較大的輸入范圍和功率,，因此在設(shè)計(jì)偏置電路時(shí)應(yīng)特別注意輸入端分壓電阻和輸出端負(fù)載電阻的功率大小，如選擇不慎,，則易燒毀電阻,，通常選擇的原則如下

　　2 DC／DC轉(zhuǎn)換器電離輻照實(shí)驗(yàn)

　　2．1 輻照實(shí)驗(yàn)方案

　　衛(wèi)星、航天器等空間設(shè)備處于空間輻射環(huán)境中,，空間輻射是誘發(fā)航天器異?；蛘吖收系闹饕蛑弧W洲航天局的報(bào)告指出,，衛(wèi)星等航天器的反?，F(xiàn)象中，有33％是由于輻射誘發(fā)產(chǎn)生的,。因此,，電子器件的輻射損傷特性和抗輻射加固一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。本次實(shí)驗(yàn)方案參照美軍標(biāo)MIL-STD-883E標(biāo)準(zhǔn)和歐洲航天局有關(guān)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),。輻照源采用鈷60,，輻照射線為γ射線，輻照劑量率為5．70 rad(Si)／s,，輻照初始劑量20 krad(Si),，輻照步長為10 krad(Si)，輻照累計(jì)總劑量為50 krad(Si),。

　　實(shí)驗(yàn)樣品采用沒有經(jīng)過抗輻照加固的DC／DC轉(zhuǎn)換器,，型號為BUP-3W24S5，樣品B為普軍級,，樣品A為商用級,，輸入電壓為18～32 V，額定功率為3 W,，額定輸入電壓為5 V,。輻照前后分別測量DC／DC轉(zhuǎn)換器在24 V和32 V輸入電壓下的Iin、Vout、Iout等常規(guī)電參數(shù)及其低頻噪聲,，樣品所加負(fù)載從10％額定負(fù)載到100％額定負(fù)載,，步長為10％額定負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)。噪聲測試系統(tǒng)采用西安電子科技大學(xué)噪聲及無損檢測實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的基于虛擬儀器的電子器件低頻噪聲測試系統(tǒng)(圖2),，分別對輻照前后的DC／DC轉(zhuǎn)換器樣品進(jìn)行低頻噪聲測試,。

　　2．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　隨著輻照劑量的增加，樣品的電性能不斷退化,，商用級樣品器件在輻照20 krad(Si)時(shí)即徹底損壞,；普軍級樣品器件在40 krad(Si)以上劑量時(shí)，完全失效,。普軍級樣品器件在40 krad(Si)以下輻照劑量時(shí)輸出電壓,，轉(zhuǎn)換效率等電參數(shù)的實(shí)驗(yàn)前后變化如圖3所示。

　　由圖3可以看出,，在輻照前,，無論24 V還是32 V輸入，輸出電壓在不同負(fù)載下都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,；在輻照20 krad(Si)之后,，輸出電壓在特定負(fù)載下就會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，32V輸入時(shí),，輸出電壓下降點(diǎn)出現(xiàn)在40％負(fù)載,；24 V輸入時(shí)，輸出電壓下降點(diǎn)出現(xiàn)在60％負(fù)載,。在輻照30 krad(Si)之后,，無論是32 V輸入還是24 V輸入，輸出電壓均明顯下降,，隨負(fù)載的增加,，輸出電壓趨近于零。隨著輻照總劑量的累積,，樣品輸出功率的效率也明顯變化,，在總劑量達(dá)到30 krad(Si)之后，其輸出功率趨近于零,，此時(shí),，可認(rèn)為樣品已經(jīng)損壞。

　　測得DC／DC轉(zhuǎn)換器輸出噪聲功率譜圖后,，需要進(jìn)一步對頻譜圖進(jìn)行擬合,，提取DC／DC轉(zhuǎn)換器的1/f噪聲幅值日，研究其在輻照前后的變化,。實(shí)驗(yàn)測得DC／DC轉(zhuǎn)換器的噪聲功率譜密度可寫為

　　其中的三個(gè)表征參量A,、B以及γ分別表示白噪聲的幅度,、1／f噪聲的幅度以及頻率指數(shù)因子。數(shù)學(xué)上可以根據(jù)最小二乘法對曲線進(jìn)行擬合,，提取出A,、B、γ,。

　　西安電子科技大學(xué)噪聲及無損檢測實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的噪聲分析軟件能很好地實(shí)現(xiàn)噪聲頻譜的擬合與參數(shù)的提取,。

　　為了清楚地表明輻照前后低頻噪聲的變化程度與常規(guī)電參數(shù)的變化程度,，將噪聲參數(shù)與電參數(shù)的變化百分比計(jì)算出來,，如圖4。

　　從圖4可以看出,，樣品器件的低頻噪聲B值在輻照前后的變化幅度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的電參數(shù)的變化,，對輻照更加敏感。因此,，可以將噪聲作為表征DC／DC轉(zhuǎn)換器抗輻照性能的一種有效補(bǔ)充,。此外，商用級樣品與普軍級樣品輻照前的低頻噪聲數(shù)據(jù)相比較時(shí),，商用級樣品在輻照前的噪聲幅值B無論在何種負(fù)載條件下均大于普軍級樣品,，而且商用級樣品在經(jīng)過20 krad(Si)的輻照后即徹底破壞，而普軍級樣品在輻照總劑量達(dá)到40 krad(Si)之后才完全損壞,。由此可以初步判斷,，DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照前的噪聲幅值曰可以用來判別器件的抗輻照性能，用來篩選可靠性更高的器件,。但這一結(jié)論仍需要對多種型號的器件進(jìn)行大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)來予以驗(yàn)證,，這也是下一步需要加以關(guān)注的方向之一。

　　3 DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照失效噪聲參數(shù)與電參數(shù)相關(guān)性分析

　　從前面的實(shí)驗(yàn)可以得出,，DC／DC轉(zhuǎn)換器的1/f噪聲在輻照前后有明顯變化,，1／f噪聲的這種變化是來源于DC／DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部器件的輻照失效。在電路中,，l/f噪聲發(fā)生變化的位置正是影響DC／DC轉(zhuǎn)換器電參數(shù)變化的位置,，二者的來源具有一致性。本實(shí)驗(yàn)以降壓式直流轉(zhuǎn)換器的工作原理為例,，分析DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照失效的一般原理,。

　　圖5(a)所示的是降壓式直流轉(zhuǎn)換器的簡化線路組成圖；圖5(b)為由單刀雙擲開關(guān)S,、電感原件L和電容C組成的降壓型轉(zhuǎn)換器基本原理圖,。

　　工作過程如下：當(dāng)開關(guān)S在位置a時(shí)，如圖5(c)所示電流Is=IL流過電感線圈L,，電流線性增加,，在負(fù)載R上流過電流Io,，兩端輸出電壓Vo，極性上正下負(fù),。當(dāng)Is>IL時(shí),，電容處于充電狀態(tài)，此時(shí)二極管D1承受反向電壓,，經(jīng)時(shí)間D1Ts后(D1=Ton／Ts,，Ton為S在a位時(shí)間，Ts為周期),。當(dāng)開關(guān)在b位時(shí),，如圖5(d)所示，由于線圈L中的磁場將改變L兩端電壓極性,，以保持電流IL不變,，負(fù)載兩端電壓仍是上正下負(fù)。在IL

　　設(shè)D1,、D2分別為開關(guān)S的接通時(shí)間占空比和斷開時(shí)間占空比,，在輸入輸出不變的前提下，開關(guān)在a位時(shí),，電感電流平均值IL=Io=Vo／R,，電感電流線性上升增量為

　　上式表明，輸出電壓隨占空比而變化,，設(shè)電壓增益為M,，則

　　由于占空比小于1，故M小于1,，因此實(shí)現(xiàn)降壓變換,。

　　由此可以看出，降壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器的輸出與其電路開關(guān)占空比有著極為密切的關(guān)系,，而在實(shí)際電路中,，VDMOS和PWM等器件的性能對DC／DC轉(zhuǎn)換器有著重要影響。這些器件的抗輻照性能,，國內(nèi)外已有許多研究,，其中大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明,，VDMOS在輻照后，主要電參數(shù)如閾值電壓和跨導(dǎo)均發(fā)生漂移,。閾值電壓的漂移有兩種形式：對于n-VDMOS器件,，閾值電壓漂移為負(fù)；對于p-VDMOS器件,，閾值電壓漂移為正,。跨導(dǎo)在線性區(qū)隨輻照劑量的增大而減小,，其中閾值電壓的變化直接影響到電路占空比的變化,，如果輸入VDMOS的交流電壓不變，則閾值電壓減小,，電路接通占空比增大,；反之,，閾值電壓減小,，電路占空比減小。本次實(shí)驗(yàn)采用BUP-3W24S5普軍級的DC／DC轉(zhuǎn)換器,，其內(nèi)部使用p-VDMOS與前文所提到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論完全相符,。

　　除此之外，對MOSFET的1／f噪聲的相關(guān)性研究表明,，1／f噪聲是表征MOSFET可靠性的一種有效方法,，MOSFET電性能的變化程度可以反映在1/f噪聲的變化上。本次實(shí)驗(yàn)中,，對普軍級樣品內(nèi)部的VDMOS輻照前后的低頻噪聲進(jìn)行了測量,，所得的B值如表1所示。

　　由表1可以看出,，輻照前后,，樣品內(nèi)部VDMOS的1／f噪聲擬合B值均有l(wèi)~2個(gè)數(shù)量級的增大，這一變化規(guī)律與樣品整體1／f噪聲的變化規(guī)律是一致的,。

　　4 結(jié)語

　　本文通過上述分析可以看到,，DC／DC轉(zhuǎn)換器在輻照前后電參數(shù)的變化可以歸結(jié)為由內(nèi)部器件所影響的開關(guān)占空比的變化，進(jìn)而歸結(jié)為其中的內(nèi)部器件如VDMOS,。這樣DC／DC轉(zhuǎn)換器輻照無論是電參數(shù)還是1／f噪聲變化就歸因于同一原因,，這些來源具有一致性。

　　由于影響DC／DC轉(zhuǎn)換器性能的內(nèi)部器件如VDMOS,、PWM,、肖特基二極管、光耦等多種器件,，因此要獲得DC／DC轉(zhuǎn)換器整體與局部噪聲之間的具體關(guān)系,，定量分析出內(nèi)部器件的l/f噪聲變化對整體1／f噪聲變化的影響,，還需要對DC／DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部1／f噪聲做更多的研究、探索與分析,，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,。