DC/DC-преобразователи CRANE Electronics: результаты испытаний на воздействие радиации – экзамен сдан

Подходы к разработке преобразователей космического назначения

Полёт на Марс обнажил существенные проблемы для разработчиков преобразователей напряжения. Космичес­кое пространство является жёсткой средой с предельными температурами и радиационными воздействиями различных видов излучения. Космическая аппаратура в дополнение к требованиям по стойкости к специфическим дестабилизирующим факторам такой среды должна характеризоваться ещё и устойчивостью к различным видами вибрации, механическим ударам и при этом надёжно функционировать в течение 15 лет или более, включая время (до 5 лет) наземных испытаний.

Объём работ по квалификации преобразователя напряжения для применения в космической аппаратуре является значительным, поэтому преимуществом пользуются DC/DC-преобразователи с уже подтверждёнными техническими характеристиками, до­пускающими их к использованию в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов. Серийные изделия космического приборостроения, как правило, характеризуются большей продолжительностью времени выпуска (период от начала выпуска изделия до снятия его с производства), что обязывает разработчика преобразователей применять компоненты, которые будут оставаться доступными в течение десятилетий. Применение микросхем с высокой степенью интеграции является рискованным предложением, так как они часто имеют относительно короткое время выпуска и подвергаются конструкционным изменениям наряду с изменениями технологии их производства. Помимо этого выбор дискретных компонентов вместо стандартных интегральных микросхем предоставляет разработчику бо ˜льшую гибкость в вопросах формирования структуры устройства и выбора метода регулирования. В силу приведённых причин наилучшим решением для преобразователей космической категории качества (Space) часто является применение дискретных компонентов с подтверждёнными для специфики использования параметрами.

Для обеспечения требуемого времени непрерывного безотказного функционирования надо исследовать воздействие наихудшего сочетания внешних факторов. Анализ предельных значений параметров компонентов с учётом коэффициентов запаса и нормативных значений является предпочтительным подходом к обеспечению надёжного безотказного функционирования техники. Так, космическое пространство характеризуется большим перепадом температур, поэтому в качестве требования может выступать работа при криогенных температурах вплоть до –130°C и при температурах выше +125°С, что, как правило, находится за пределами спецификаций поставщика, в силу этого, прежде чем сделать выбор, необходимо провести обширные исследования изменений характеристик компонента или устройства при воздействии предельных температур.

Проникновение в космос является рискованной операцией, которая требует огромного внимания к механической конструкции преобразователя. Очень важен способ крепления, особенно для крупных устройств, таких как трансформаторы и большие конденсаторы. Даже тип маркировочной краски на крышке преобразователя нужно принять во внимание, так как космический аппарат часто должен соответствовать требованиям к содержанию летучих конденсируемых веществ (Collected Vo­latile Condensable Material – CVCM) и устойчивости к дегазации, измеряемой по общей убыли массы (Total Mass Loss – TML). И если преобразователь планируется использовать в составе бортового оборудования космического аппарата, он должен выдерживать воздействие радиации.

Радиационные воздействия в космосе

Ионизирующее излучение космического пространства включает в себя ионизирующие излучения низкой и вы­сокой интенсивности, протоны и ионы солнечных и галактических космичес­ких лучей, вызывающие в изделиях элект­ронной техники одиночные эф­фек­ты и структурные повреждения кристаллической решётки из-за смещения атомов (Displacement Damage) при воздействии высокоэнергетических час­тиц. В космическом пространстве по­стоянно присутствуют ионизирующие излучения, и преобразователь должен быть сконструирован так, чтобы функционировать в этой враждебной окружающей среде. При путешествии в течение 8 месяцев марсохода Curiosity к Марсу он подвергался трём значительным всплескам солнечных космических лучей (СКЛ, или Solar Mass Ejections – SME) наряду с непрерывным воздействием галактических космических лучей.

Космическая радиация состоит из потоков высокоэнергетических протонов, или a­­­­-частиц, высокоэнергетических электронов, или b-частиц, нейтронов, тяжёлых ядер, а также электромагнитных полей, g-излучения и рентгеновских лучей. Её воздействие может быть непосредственно ионизирующим или косвенно ионизирующим. Иони­зирующее излучение может служить причиной повышения напряжения и тока смещения в биполярных усилителях и компараторах, уменьшения полосы пропускания биполярных усилителей, уменьшения коэффициента усиления у биполярных транзисторов, отрицательного смещения затвора MOSFET-транзисторов. Нейтроны вызывают ионизирующее излучение косвенно, когда они взаимодействуют с полупроводниковыми приборами, что приводит к нестабильности атомов, которые излучают гамма- или альфа-частицы при радиоактивном распаде.

Структурное повреждение кристаллической решётки из-за смещения атомов является результатом воздействия неионизирующего излучения, когда высокоэнергетическая частица вызывает разрушение в полупроводниковой кристаллической решётке, образуя за­хватывающие узлы и сокращая время существования носителей при малой их концентрации. В отличие от повреждений, создаваемых ионизирующим из­лучением, такое структурное повреждение часто является постоянным (не­обратимым). Структурное повреждение кристаллической решётки ухудшает характеристики устройств, чувствительных к световому потоку, уменьшая коэффициенты передачи тока и снижая коэффициенты усиления транзисторов, особенно при низких плотностях тока, и может понижать коэффициент рекомбинации во многих полупроводниковых устройствах с дополнительной примесной электропроводностью.

Одиночные эффекты тоже являются значительной проблемой для преобразователей, предназначенных для применения в космической аппаратуре. Они проявляются, когда высокоскоростная частица сталкивается с устройством и передаёт ему свою энергию. Степень повреждения зависит от массы частицы, скорости и вещества, с которым она сталкивается. Результатом может быть изменение состояния логических устройств или прекращение функционирования устройства вследствие разрушительного радиационного защёлкивания транзисторов в пропускающем состоянии, что часто наблюдается у КМОП- и БиКМОП-устройств. Общепринятая классификация одиночных эффектов подробно представлена, например, в [4] и [5].

Методология проектирования преобразователей напряжения

С учётом описанных подходов к разработке и в целях уменьшения влияния дестабилизирующих факторов космического пространства сложилась методология проектирования преобразователей напряжения для бортового оборудования космических аппаратов, включающая в себя перечисленные далее пункты.

• Обеспечение значительного ограничения допустимых значений на­пряжения для активных устройств.
• Использование токоограничивающих резисторов.
• Выбор топологии для источников с высоким импедансом (обратноходовая или снабжаемая током топология).
• Применение транзисторов MOSFET, стойких к эффекту пробоя подзатворного диэлектрика (Single Event Gate Rapture – SEGR) и к импульсному изменению напряжения (dV/dt).
• Проектирование с учётом резкого уменьшения коэффициента усиления транзистора при воздействии ра­диации.
• Применение микросхем ограниченной сложности (низкой степени ин­теграции).
• Применение схем с биполярными уси­лителями, которые менее чувствительны к ионизирующему излучению.
• Применение схем, которые допу­скают значительные изменения на­пряжения смещения и тока смещения.
• Управление выключением MOSFET-транзисторов отрицательным напряжением затвор–исток (V_gs) для компенсации пороговых смещений при наихудшем сочетании дестабилизирующих факторов.
• Испытание и отбор на стойкость всех чувствительных к радиации компонентов.

Проверка с отбраковкой компонентов на радиационную стойкость преподносит свой собственный набор проблем, связанных со стоимостью времени ис­пытаний на ускорителях частиц, радиоактивной природой нейтронов и продолжительностью времени испытаний, требуемой для определения характеристик устройства при низких интенсивностях ионизирующего излучения, наблюдаемого в космическом пространстве (мощность дозы ниже 10^–3–10^–2 рад (SiO₂)/с).

Модули питания для марсианской миссии

Разработка устройства для миссии на Марсе была связана с решением множества уникальных проблем, которые требовали всестороннего понимания физики процессов, материаловедения, особенностей передачи тепла и космического излучения, а также анализа состояний на схемном уровне и применения методологии проектирования для уменьшения влияния специфических дестабилизирующих факторов космического пространства.

Компания CRANE Aerospace & Elect­ronics (CRANE Electronics), будучи од­ним из ведущих мировых производителей DC/DC-преобразователей и помехоподавляющих фильтров, на протяжении многих лет выпускает продукцию космической категории качества, по­стоянно адаптируясь к новым уровням соответствующих требований и возрастающей сложности необходимых испы­таний. Продукция компании CRANE Electronics, поставляемая под торговой маркой Interpoint™, уже применялась ранее во многих программах NASA (Na­tional Aeronautics and Space Agency – Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, НАСА), включая всё ещё находящуюся в стадии реализации миссию Cassini-Huygens Saturn (аппарат Cassini-Huygens, запущенный в 1997 го­ду, до сих пор продолжает посылать ценные данные о Сатурне и его спутниках). Очередным проектом стал автономный планетарный зонд Curiosity (Mars Science Laboratory – MSL).

В аппаратуре Curiosity (см. врезку «Зонд Curiosity») применены девять различных серий DC/DC-преобразователей и помехоподавляющих фильтров компании CRANE Electronics, включая SMFLHP, SMRT, SMHF и SFME. На рис. 1 показан внешний вид некоторых DC/DC-преобразователей Intepoint™. 

Помехоподавляющие фильтры служат дополнением к DC/DC-преобразователям, упрощая обеспечение соответствия системы требованиям стандарта MIL-STD-461 к помехам излучения, кондуктивным помехам и другим воздействиям.

Далее в статье представлены результаты испытаний преобразователей компании CRANE Aerospace & Electronics на воздействие ионизирующих излучений низкой интенсивности, которые были получены при подготовке изделий для применения в бортовой аппаратуре миссии Curiosity.

ЗОНД CURIOSITY

Зонд Curiosity был запущен с космодрома Air Force Station, расположенного на мысе Канаверал, 26 ноября 2011 года ракетой «Атлас-5», а 5 августа 2012 года совершил посадку на Марс в районе кратера Гейла. Cu­riosity, наиболее сложный из когда-либо разработанных планетарных зондов, содержит в 10 раз больше научного оборудования, чем его предшественники Spirit и Oppor­tunity. Основной задачей Curiosity является исследование того, мог ли Марс когда-либо иметь благоприятные условия для жизни бак­терий, а также пригоден ли Марс для ор­ганизации поселений будущих экспедиций исследователей. В результате 100-дневной работы марсохода Curiosity были обнаружены вода в грунте [6] и органика небиологического происхождения, а также были проведены измерения радиации. Выяснилось, если человек решит отправиться на Красную планету, то, кроме жуткого холода и разреженного воздуха, он подвергнется риску получить опасную дозу радиации. Марсоход Curiosity оказался первым земным аппаратом, который сделал измерения заряженных частиц с помощью американского прибора RAD. За первые сто дней он зафиксировал несколько вспышек на Солнце, в результате которых поток заряженных частиц резко вырастал. Однако, как показали расчёты, оболочка аппарата сократила мощность соответствующих доз в несколько раз. Ре­зультаты измерений прибора RAD были дополнены данными прибора HEND (изготовитель ИКИ РАН, Россия), установленного на находящемся на марсианской орбите аппарате Mars Odissey. В отличие от американского прибора, он способен улавливать нейтроны низких энергий. Мониторинг ра­ди­ационной обстановки на Марсе очень важен в связи с подготовкой будущих полётов туда человека. ■

Результаты исследований воздействия одиночных ядерных частиц на DC/DC-преобразователи

Ионизирующие излучения космического пространства при воздействии на внутренние электронные компоненты DC/DC-преобразователей вызывают одиночные эффекты как результат воздействия тяжёлых заряженных частиц (ТЗЧ) и протонов с относительно высокими энергиями (свыше 1 МэВ), которые приводят к обратимым сбоям и не­обратимым (катастрофическим) отка­зам. Необходимо заметить, что невозможно защититься от воздействия протонов с относительно высокими энергиями и ТЗЧ путём применения дополнительных экранов, поэтому данную про­блему необходимо решать на всех этапах конструирования DC/DC-преобразователя (выбор компонентной ба­зы и схемотехнических решений, процесс изготовления и др.). Одиночные эффекты могут быть причиной резкого увеличения выходного напряжения, про­садки напряжения, отключений и по­вторных включений, защёлкиваний или катастрофических отказов. Значе­ние пороговых линейных потерь энергии (ЛПЭ) иона в веществе 40 МэВ•см²/мг (>37 МэВ•см²/мг) характерно для большей части частиц, с которыми космический аппарат может столкнуться за вре­мя своего активного существования, и это значение является достаточным для большинства космических программ. Значение ЛПЭ 85 МэВ•см²/мг по существу охватывает все частицы, с которыми космический аппарат может столкнуться в течение своего срока активного существования. Параметры стойкости к воздействию одиночных частиц в основном подтверждаются испытаниями готового DC/DC-преобразователя.

В период между февралём 2010 и февралём 2011 года были проведены испытания на стойкость к воздействию ТЗЧ различных компонентов разных компаний (микросхемы АЦП/ЦАП, FPGA, операционных усилителей, транзисторов MOSFET, микросхем памяти, ли­нейных регуляторов и DC/DC-преобразователей), которые планировались к применению в космических программах NASA. Подвергались испытаниям и несколько серий DC/DC-преобразователей производства компании CRANE Electronics: SMRT28515T, SMTR283R3S, SMSA2812D, SMSA2815S, MFP0507S, SLH2812D, SMFLHP2815S.

Основные исследования на стойкость к воздействию отдельных ТЗЧ проводились на циклотроне Texas A&M Univer­sity (TAMU) и на установке Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Обе эти установки предназначены для циклического ускорения протонов и ионов с широким диапазоном энергии.

Для имитационного моделирования радиационных эффектов от отдельных ядерных частиц (одиночных сбоев) применялся также сфокусированный лазер американской лаборатории NRL (Naval Re­search Laboratory). Лазерный луч с длиной волны 590 нм на глубине проникновения 2 мкм имел интенсивность сфокусированного излучения около 37% (снижение до уровня 1/e) от интенсивности на поверхности, частота по­вторения импульсов составляла 1 кГц. Необходимо отметить, что испытания на стойкость к воздействию отдельных заряженных частиц на лазерных имитаторах со сфокусированным излучением позволяют воспроизводить ряд одиночных радиационных эффектов:

1. эффекты одиночных сбоев, включая эффекты функциональных сбоев;
2. эффекты вторичного пробоя, в том числе в мощных полевых транзисторах;
3. эффекты отказов (тиристорные эф­фекты SEL и катастрофические отказы);
4. одиночные переходные эффекты (SET – Single Event Transient, «иголки») – кратковременные импульсы напряжения (тока), возникающие вследствие одиночных радиационных эффектов.

Результаты испытаний и анализа воз­­действий ТЗЧ на электронные компоненты приведены в отчёте [7].

В табл. 1 кратко представлены результаты испытаний DC/DC-преобразователей CRANE Electronics на воздействие одиночных ядерных частиц, а более подробно об испытаниях одного из них – SMFLHP2815S [8] и полученных результатах рассказывается в следующем разделе.

Испытания DC/DC-преобразователя SMFLHP2815S на стойкость к воздействию ТЗЧ

Исследования проводились с целью определения стойкости одноканального DC/DC-преобразователя SMFLHP2815S (рис. 2) к воздействию одиночных эф­фектов от воздействия потоков ТЗЧ на испытательном оборудовании в Cyc­lo­tron Institute, расположенном на территории Texas A&M University. Работа проводилась по программе NASA Elect­ronics Parts and Packaging (NEPP).

Испытывались два образца. Каждый образец подвергался воздействию корпускулярного ионизирующего излучения, и результаты сравнивались для контроля. Перед испытаниями у образцов удалили крышки. Конверторы се­рии SMFLHP являются однотактными прямоходовыми импульсными DC/DC-

пре­образователями напряжения, которые использует квазипрямоугольные импульсы с постоянной частотой переключения 600 кГц. Гальваническая развязка между входными и выходными цепями в основной цепи обеспечивается трансформатором, а в контуре обратной связи используется широкополосная индуктивная связь. В этих устройствах применяется уникальная двойная петля обратной связи, которая управляет выходным током с использованием внутреннего контура обратной связи и выходным напряжением в режиме контура обратной связи с последовательным включением напряжения. До­полнительная обратная связь по току дросселя улучшает переходные характеристики в токовом режиме и упрощает параллельное подключение нескольких модулей.

Испытательный стенд

Испытания проходили на стенде Te­xas&M Cyclotron Radiation Effects Faci­lity пучками с энергией 15 МэВ/нуклон. Плотность потока частиц составляла от 5,49×10² до 1,45×10⁵ частиц/см² в се­кун­ду. Для разрушающих испытаний все тесты проводились при потоке до 1×10⁶ частиц/см² или пока не происходили разрушающие события. Для не­­раз­рушающих испытаний все тесты осуществлялись при потоке до 1×10⁶ частиц/см² или пока не насчитывалось достаточное число (>100) переходных состояний. Для испытаний применялись ионы Xe, Ta и Au. При этом выдерживалась комнатная температура. Испытания проводились при входном напряжении 28, 21 и 35 В, при отключённой, 30-процентной и 50-процентной нагрузке. Контролирова­лись ток на входе преобразователя и выходное на­пряжение.

Проверялись стойкость к воздействиям ТЗЧ по эффекту отказов SEL (тиристорные эффекты), одиночному эффекту пробоя подзатворного ди­электрика в МДП-структурах (SEGR) и переходной ионизационной реак­ции в виде отдельных импульсов на­пряжения.

Структурная схема оборудования для испытания преобразователя SMFLHP­2815S представлена на рис. 3. 

Она со­дер­жит источник питания для обеспечения входных напряжений, электронную нагрузку, плату с проверяемым устройством, компьютер для управ­­ления измерительным оборудованием через интерфейс КОП, а также цифровой электронно-лучевой осциллограф для фиксирования любых от­клонений от нормы на выходе. После подачи заданного входного напряжения значения выходного напряжения отображаются на осциллографе, который срабатывает при зна­чениях, которые находятся выше или ниже установленного порога (250 мВ). На рис. 4 приведена принципиальная схема включения преобразователя SMFLHP2815S при испытаниях.

Результаты испытаний

Подробные результаты испытаний приведены в таблице отчёта [8].

Устройства подвергались воздействию корпускулярного ионизирующего излу­чения ионов ксенона, тантала и золота с потоками от 8,49×10³ до 3,03×10⁶ частиц/см². Для разрушающих и неразрушающих испытаний наблюдения велись до максимального значения ЛПЭ 86,3 МэВ•см²/мг при прямом угле падения пучка. Для модуля SMFLHP2815S не наблюдалось разрушающих событий, но устройство оказалось восприимчиво к воздействию ТЗЧ по эффекту одиночных сбоев SET и выдавало импульсы напряжения в выходных цепях, которые в наихудшем случае имели пиковую амплитуду около –1 В и длительность 200 мкс. Эти импульсы могут быть уменьшены пу­тём применения соответствующей схемы LC-фильтра совместно с DC/DC-преобразователем. На графиках 1 и 2 рис. 5 показаны такие импульсы напряжения для наихудшего случая, а на рис. 6 – наблюдаемое сечение эф­фекта (отношение общего числа проявлений эффекта в устройстве к плотности переноса частиц).

Испытания SMFLHP2815S проводились при входном напряжении 28 В в режиме холостого хода и при 30-процентной нагрузке. Дополнительные испытания проводились для наихудшего сочетания факторов: входные напряжения 21 и 35 В при нагрузке 30 и 50%. Общий вывод таков, что максимальное количество импульсов напряжения в выходных цепях является от­носительно небольшим, поэтому ис­пы­тываемое устройство может применяться в бортовой аппаратуре космической техники.

К вопросу применения интегральных микросхем

В начале статьи при обсуждении подходов к разработке преобразователей напряжения для космических применений указывалось на то, что применение микросхем с высокой степенью интеграции является для данной сферы рискованным предложением. Между тем, микросхемы бывают очень разные, поэтому есть смысл более подробно обсудить вопрос их применения.

История вопроса

Полупроводниковые устройства, созданные для применения в бортовой аппаратуре космической техники, были разработаны в те времена, когда стандартные радиационные испытания осуществлялись при высокой мощности дозы (HDR). За последние пять лет были проведены дополнительные ис­пытания этих изделий при низких мощ­ностях поглощённой дозы (LDR), согласующихся с ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity – эффект уменьшения величины предельной накопленной дозы для биполярных изделий при воздействии реального ионизирующего излучения космического пространства с мощностью дозы ниже 10^–3–10^–2 рад (SiO₂)/c). Уверен­ность в корректном поведении продукции космической категории качества компании CRANE Electronics при мощ­ностях ELDRS основана на том, что испытания были проведены как на компонентном уровне, так и на уровне готовых преобразователей.

Испытаниям подвергались DC/DC-пре­образователи популярных серий SLH, SMSA, SMHF, SMTR и SMRT. Эти изделия содержат в своём составе не­сколько видов биполярных интегральных схем. Данные биполярные устройства яв­ляются потенциально чувствительными к суммарной накопленной до­зе ионизирующего из­лучения при очень низких мощностях дозы, часто определя­емых как мощности менее 10 мрад (Si)/с.

В [3] приведены схемы применения каждой ИМС и данные о влиянии эф­фектов ELDRS на характеристики преобразователя, что полезно для понимания допустимого предела устойчивости изделия к дозовым эффектам при воздействии реального ионизирующего из­лу­чения космического пространства, ста­­тис­ти­чес­кие данные испытаний компонентов, которые со­держат сведения о поведении партии кремниевых пластин при низких мощностях дозы, статистические данные ис­пытаний преобразователей с за­ре­гист­ри­рованными партиями ИМС.

Перечень ИМС, со­дер­жащихся в каждом преобразователе перечис­ленных серий, приведён в табл. 2. 

Кратко охарактеризуем каждый из четырёх упомянутых в таблице видов биполярных интегральных микросхем.

• LM119. Это сдвоенный компаратор, приобретённый у компании National Semiconductor как кристалл MD8. Данный кристалл тестировался на воздействие радиации согласно ру­ководящему техническому документу Source Control Drawing (SCD), ко­торый содержит пострадиационные ограничения, обнаруженные компанией CRANE Electronics.

• LM136. Это прецизионный источник опорного напряжения 2,5 В, при­обретённый у National Semi­con­ductor как кристалл MDR. Имеет гарантированное значение предельной накопленной дозы 100 крад (Si), подтверждённое при воздействии ионизирующего излучения с высокой мощностью дозы.

• LM158. Это сдвоенный операционный усилитель, приобретённый у компании National Semiconductor как кристалл MDE. Имеет гарантированные и испытанные для партии микросхем параметры радиационной стойкости при низких мощностях дозы (ELDRS). В DC/DC-преобразователях CRANE Electronics применяются микросхемы LM158 или микросхемы MC34072.

• MC34072. Это сдвоенный усилитель, приобретённый у компании On Semi и испытанный CRANE Electronics по ру­ководящему техническому документу SCD, который содержит пост­радиа­ционные ограничения, обнаруженные компанией CRANE Electronics.

Результаты исследований ИМС LM119

ИМС LM119 является единственной интегральной микросхемой, используемой в дискретной реализации схемы широтно-импульсного модулятора во всех рассматриваемых преобразователях. Устройство представляет собой сдвоенный компаратор, одна часть которого функционирует в качестве генератора тактовых импульсов, а вторая – в качестве компаратора ШИМ-контроллера. Генератор является гистерезисной схемой с гистерезисом в несколько вольт. Возможным результатом воздействия радиации на данный компонент выступает сдвиг частоты генератора, поэтому намеренно этот генератор сделан нечувствительным к весьма значительным изменениям напряжения смещения и тока смещения. Изменения напряжения смещения создают смещения в одинаковом на­правлении на обоих уровнях цикла гистерезиса, а не собственно в гистерезисе. В результате схема может без последствий выдерживать смещения 100 мВ или выше, что во много раз больше, чем можно было бы ожидать от воздействий ионизирующего излучения с низкой мощностью дозы. Ток смещения тоже приводит к положительному или отрицательному смещению рабочей точки, но так как перемещения происходят в одинаковом направлении, то влияние на частоту практически отсутствует.

Другая половина ИМС LM119 ис­пользуется в качестве ШИМ-компаратора, диапазон входной помехи общего (синфазного) вида составляет от 1,2 до 6 В при изменении коэффициента за­полнения от 0 до 60%. Смещение рабочей точки, вызванное большим изменением на входе напряжения смещения или тока смещения, не влияет на коэффициент заполнения. Высокое значение коэффициента петлевого усиления при разомкнутом контуре обратной связи будет возвращать рабочую точку на прежнее место, что необходимо для достижения правильного коэффициента заполнения и корректного значения выходного напряжения.

Схема ШИМ-контроллера, в которой применяется LM119, практически не­восприимчива к значительным изменениям напряжения и тока смещения. Как следует из результатов испытаний [3], эта схема тестировалась при воздействии низких мощностей поглощённых доз ионизирующих излучений (ELDRS) до значений поглощённых доз 50 крад (Si) и 100 крад (Si) с изменением частоты на 1%. Для поглощённой дозы 100 крад (Si) при сопоставлении данных, полученных при воздействии большой мощности дозы (HDR) и низкой мощности дозы (LDR), различий не обнаружено. Эта схема много раз была испытана при больших мощностях дозы (HDR) до поглощённой дозы 450 крад (Si) опять же с изменением частоты менее чем на 1%.

Интересные сведения об устойчивости ИМС LM119 можно получить из врезки «Краткое изложение результатов испытаний сдвоенного компаратора LM119 на воздействие ионизирующих излучений с низкой мощностью дозы».

Результаты исследований ИМС LM136

Источник опорного напряжения LM136 применяется во всех изделиях космической категории качества компании CRANE Electronics для получения опорного напряжения, на основе которого формируется выходное напряжение. Изменение в выходном напряжении является суммой смещения опорного напряжения и смещения входного напряжения усилителя. Значение измеренного изменения выходного напряжения при испытаниях воздействием низкой мощности дозы ионизирующего излучения может быть использовано для определения суммы смещений обеих этих составляющих, а сравнение значений смещений, полученных при испытаниях воздействиями доз высокой и низкой мощностей, может быть использовано для определения влияния предельной накопленной дозы при воздействии ионизирующего излучения не­большой мощности на каждую из этих составляющих.

В данных, полученных при испытании ИМС LM136 воздействием высокой мощности дозы до значения поглощённой дозы 100 крад (Si), обнаружено стойкое изменение выходного напряжения 0,3%. В данных, полученных при испытаниях преобразователя SMRT на воздействие небольшой мощности дозы ионизирующего излучения (ELDRS) при поглощённой дозе 100 крад (Si), об­наружено смещение выходного на­пря­жения 0,5% и не обнаружено различий между результатами испытаний при HDR и LDR. При испытаниях мо­дуля серии SMSA воздействием мощностей доз ELDRS до поглощённой дозы 50 крад (Si) обнаружено смещение вы­ходного напряжения 0,3% и тоже не об­наружено различий между результатами испытаний при HDR и LDR.

Результаты исследований ИМС MC34072

Этот усилитель применяется для формирования сигнала ошибки в случае, когда существует разность между опорным и выходным напряжением. Это зна­чительно усиленное напряжение ошибки управляет ШИМ-контроллером для воздействия на выходное напряжение. Как было упомянуто при рассмотрении компонента LM136, сумма смещений в усилителе и источнике опорного на­пря­жения может проявляться в виде из­менения выходного напряжения. Ис­пы­тания, проведённые для преобразователя серии SMSA, содержащего две раз­­ные партии кремниевых пластин MC34072, до поглощённой дозы 50 крад (Si), показали, что смещение вы­­­ходного напряжения было 0,3% при испытаниях LDR и HDR. Это напряжение смещения, вероятно, явилось результатом смещения только от источника опорного напряжения LM136.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ СДВОЕННОГО КОМПАРАТОРА LM119 НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С НИЗКОЙ МОЩНОСТЬЮ ДОЗЫ

Общие положения
Хорошо известно, что эффекты, вызванные суммарной накопленной дозой радиации, могут быть причиной ухудшения параметров и, в конечном счёте, функционального сбоя в электронном устройстве. По­вреж­дение происходит посредством образования электронно-дырочной пары, передачи и захвата дырок в диэлектрических зонах. В современных микросхемах, созданных по КМОП-технологии c технологическими нор­мами 0,6 мкм и менее, большая часть разрушения обнаруживается в менее толстых изолирующих зонах. Устройства же, использующие биполярные компоненты с малой концентрацией носителей, проявляют чувствительность к воздействию ионизирующих излучений с небольшой мощностью дозы (ELDRS). В настоящее время общепринят метод прогнозирования чувствительности к ELDRS или моделирования чувствительности к низкой мощности дозы при комнатной температуре и воздействии облучения 50–100 рад (Si)/с (Condition A в стандарте MIL-STD-883G Test Method 1019.7). В течение последних 10 лет был проверен ряд ускоряющих методик, включая отжиг при повышенной температуре, подобный тому, который применяется для МОП-устройств, и облучение при различных температурах. Однако ни одна из этих методик не была признана столь же успешной и для обширного ряда построенных на биполярных компонентах линейных устройств и/или устройств смешанных сигналов, используемых в аппаратуре космических кораблей.

Самое последнее требование, включённое в стандарт MIL-STD-883G Test Method 1019.7, предписывает, чтобы устройства, потенциально склонные к воздействию ELDRS, «были испытаны при предполагаемой во время применения мощности (по­глощённой) дозы, при принятой низкой мощности дозы до уровня поглощённой дозы, превышающего значение предельной накопленной дозы, или по ускоренным ме­тодикам, таким как облучение при повышен­ной температуре с учётом допуска на деградацию параметра прибора». Недавно опубликованный стандарт MIL-STD-883 Test Method 1019.7, хоть и предусматривает ускоренное испытание, но по существу требования этого стандарта надо понимать так, что перед тем как назначать испытания по ускоренным методикам, должны быть выполнены испытания на ELDRS при низкой мощности дозы для подтверждения при­емлемости ускоренного испытания на основе результатов воздействия низкой мощ­ности дозы на компоненты.

Исходя из ограничений ускоренного испытания и в целях обеспечения соответствия требованиям MIL-STD-883G Test Me­thod 1019.7 Condition D были проведены ис­пытания рассматриваемой микросхемы на ELDRS при мощности дозы 10 мрад (Si)/с.

Установка для испытаний на стойкость к дозовым эффектам
Испытания на ELDRS были проведены с использованием радиационной установки Radiation Assured Devices’ Longmire Labora­tories (Колорадо-Спрингс). В качестве источника ELDRS применялся излучатель GB-150, модифицированный для обеспечения панорамной экспозиции. Стержни из ⁶⁰Co были зафиксированы на основании излучателя. Во время облучения стержень поднимался электронным таймером-контроллером, и воздействие осуществлялось в воздухе. Мощность дозы излучателя могла изменяться от приблизительно 1 мрад (Si)/с до максимального значения порядка 50 рад (Si)/с и зависела от расстояния от источника. Для испытания на ELDRS при низкой мощности дозы устройства размещались на расстоянии приблизительно 2 метра от стержней из ⁶⁰Co. Ка­либ­ровка излучателя осуществлялась Radiation Assured Devices’ Longmire La­bo­ratories с использованием термолюминесцентных до­зиметров (TLD), зарегистрирован­ных в Na­tional Institute of Standards and Tech­nology (NIST).

Условия радиационных испытаний
Сдвоенный компаратор LM119 облучался при различных электрических условиях: при подаче однополярного напряжения 10 В и при подключении всех выводов к земле. Устройства облучались до максимального значения поглощённой дозы 50 крад (Si) со считыванием данных при значениях 10, 20, 30 и 50 крад (Si). Контроль электрических параметров производился в течение 1 часа после окончания каждого пе­риода облучения. После каждого периода облучения в течение 2 часов устройства возвращались для накопления следующей дозы радиации. Для обеспечения требуемой мощ­ности дозы 10 мрад (Si)/с плата с микросхемой при испытании на ELDRS была помещена в камеру с источником ⁶⁰Co и рас­положена в свинцово-алюминиевом контейнере. Свинцово-алюминиевый контейнер требуется в соответствии с документом MIL-STD-883G Test Method 1019.7 Section 3.4, который гласит следующее: «Свинцово-алюминиевый (Pb/Al) контейнер. Испытываемые образцы должны быть помещены в Pb/Al-контейнер для уменьшения влияний повышенной дозы рассеянной радиации с низкой энергией. Минимальная толщина свинца должна быть 1,5 мм, он окружает внутренний алюминиевый экран с требуемой толщиной по меньшей мере 0,7 мм. Этот Pb/Al-контейнер создаёт приблизительное равновесие заряженных час­тиц между Si и TLD, такое как контейнер из CaF₂. Напряжённость радиационного поля внутри Pb/Al-контейнера должна быть измерена перед началом испытаний в тех случаях, когда был заменён источник из­лучения или когда были изменены его ориентация либо форма, а также форма контейнера, элемент тестового оборудования. Это измерение должно быть произведено после помещения дозиметра (например, TLD) в контейнер на то место, где приблизительно размещается облучаемый образец. В том случае, когда может быть доказано, что рассеянная низкоэнергетическая радиация на­столько мала, что не вызовет ошибки до­зи­метрии вследствие увеличения дозы, Pb/Al-контейнер может не использоваться».

Значение мощности дозы внутри свинцово-алюминиевого контейнера было определено по измерениям мощности излучения дозиметром TLD непосредственно перед началом экспозиции для определения поглощённой дозы.

Значение мощности дозы во время этого эксперимента было 10 мрад (Si) с точностью ±5%. 

Проверяемые параметры
В этой работе исследовались следующие параметры:
● напряжение смещения на входе V_IO;
● ток смещения на входе I_IO;
● входной ток смещения +I_B;
● входной ток смещения −I_B;
● ток источника питания I_CC;
● выходное напряжение высокого уровня V_OH;
● выходное напряжение низкого уровня V_OL. 

Параметры были представлены в виде зафиксированных данных, а все необработанные данные, включая сводку определяющих признаков, представлены в форме отчёта [3], а также в виде отдельного файла в формате Excel. Данные определяющих признаков содержат среднее, стандартное от­клонение и среднее значение с коэффициентом K_TL (ограничивающий коэффициент точности при одностороннем измерении). Используемое значение KTL равно 4,666 со­гласно MIL-HDBK 814 “Military Handbook. Ionizing Dose and Neutrons Hardness Assu­rance Guidelines for Micro­circuit and Semi­conductors Devices” при использовании одно­сторонних доверительных границ до­пуска 99/90% и объёма выборки 5 штук. За­метим, что для прохождения устройством тестирования на ELDRS должен выполняться следующий критерий: после радиационного облучения технические параметры устройства должны соответствовать спецификации и среднее значение для выборки должно удовлетворять требованиям спецификации с учётом ограничивающего коэффициента K_TL. В том случае, когда после радиационного облучения этот критерий не выполняется, соответствующая партия устройств рассматривается как партия, не прошедшая радиационные приёмочные ис­пытания (Radiation Lot Ac­cep­tance Testing – RLAT).

Результаты испытаний при воздействии ионизирующих излучений небольшой мощности дозы В соответствии с представленными критериями для сдвоенных компараторов LM119 из партий с кодами 0806/J205B6252 неудачно закончилось испытание на ELDRS при первом уровне возрастающей дозы 10 крад (Si) вследствие увеличения входных токов смещения на обоих каналах. На инвертирующем и неинвертирующем входах тоже были выявлены аномальные изменения параметров при 10 крад (Si) и 20 крад (Si). Но несмотря на то что были обнаружены существенные ухудшения на­пряжения смещения на входе и входных токов смещения, устройства сохранили свой основной набор функций, доказательством чего послужили результаты последних двух испытаний, в которых проверялись V_OL и V_OH при подключении устройства в схему в качестве стандартного компаратора.

Из результатов испытаний видно, что параметры до воздействия радиации и пострадиационные параметры находятся в пределах спецификаций даже с учётом K_TL. Параметры испытываемых устройств зна­чительно не изменились, как и следовало ожидать. Поэтому можно сделать вывод, что любые обнаруженные их изменения были обусловлены только радиационным облучением. ■

Вывод

Каждый из трёх компонентов, определённый как потенциально чувствительный к воздействию ELDRS, был испытан много раз на компонентном уровне и в составе преобразователей. Микросхема источника опорного на­пряжения LM136 была испытана 4 раза в составе преобразователя (каждый раз – из разных партий), 1 раз на компонентном уровне. Микросхема LM119 была испытана 3 раза в составе преобразователей (каждый раз – из разных партий) и один раз на компонентном уровне. Микросхема MC34072 была испытана 2 раза в составе изделий и 1 раз как отдельный компонент, каждое испытание проводилось для микросхем из разных партий. Ре­зультаты испытаний и, что очень важно, их согласованность, по крайней мере, для трёх партий пластин каждого компонента значительно уменьшают риск потенциальной проблемы ELDRS. Кро­ме того, надо учитывать, что данные компоненты были специально спроектированы так, чтобы минимизировать влияние радиации, вызывающей изменения технических параметров.

Результаты испытаний каждого из этих компонентов кратко представлены в табл. 3. 

Результаты испытаний преобразователя серии SMRT на воздействие мощностей доз ELDRS представлены в табл. 4–6, а некоторые результаты испытаний преобразователя серии SMSA2815S приведены в табл. 7–9. 

Значения параметров всех испытываемых образцов DC/DC-преобразователей SMSA2815S оставались в пределах требований спецификаций до зна­чения поглощённой дозы 50 крад (Si) после воздействия гамма-излучения с мощностью дозы 20 мрад (Si)/с. Подробно результаты испытаний преобразователя SMSA2815S представлены в отчёте [9].

Множество испытаний различных партий потенциально чувствительных интегральных микросхем, применяемых в изделиях космической категории качества компании CRANE Aerospace & Electronics, не выявили эффекта уменьшения величины предельной накопленной дозы радиации для биполярных изделий при воздействиях ионизирующего излучения с низкой мощностью дозы (ELDRS с мощностью дозы ниже 10^–3–10^–2 рад (SiO₂)/с). Испытания интегральных микросхем были проведены как в составе преобразователей, так и отдельно для компонентов. Кроме того, преобразователи показали свою устойчивость к изменениям параметров интегральных схем в результате воздействия ионизирующих излучений, что значительно минимизирует влияние накопленной дозы ионизации, независимо от мощности дозы. ●

Литература

1. Dave Perchlik. Challenges of Designing Vol­tage Converters for a Mission to Mars [Элект­ронный ресурс] // PowerPulse.Net. – 2012. – Режим доступа : http://www.powerpulse.net/powerViews.php?pv_id=6.
2. NASA’s Mars Science Lab, Curiosity, Lands on Mars with Interpoint™ DC-DC Converters : News Release. – Redmond : CRANE Aero­space & Electronics, 2012.
3. Jay Kuehny, David Perchlik. Low Dose Rate Effects on Crane Space Products. – CRANE Aerospace & Electronics, February, 2012.
4. Анашин В.С. Средства контроля воздействия ионизирующих излучений космического пространства на РЭА космических аппаратов в области одиночных эффектов // Датчики и системы. – 2009. – № 9.
5. Анашин В.С. Общие вопросы обеспечения стойкости РЭА космических аппаратов к ионизирующим излучениям космического пространства за счёт ЭКБ // Контроль стойкости электронной компонентной ба­зы к ионизирующим излучениям космического пространства для её применения в радиоэлектронной аппаратуре космических аппаратов : тез. докл. семинара 12 дек. 2012. – М.: РОСКОСМОС, 2012.
6. Первые результаты российского эксперимента ДАН на борту марсохода НАСА Curiosity, работающего на поверхности Марса : cообщение преcс-службы ИКИ РАН [Электронный ресурс] // ИКИ. – М., 2012. – Режим доступа : http://www.iki.rssi.ru/events/events_12.htm.
7. Martha V. O’Bryan, Kenneth A. LaBel, Jonathan A. Pellish, Jean-Marie Lauenstein, et al. Recent Single Event Effects Compendium of Candidate Electronics for NASA Space Systems // NSREC 2011 W-6. – NASA, 2011.
8. Anthony B. Sanders, Hak S. Kim, Anthony M. Phan. SEE Test Plan 3.0. Heavy Ion SEE Test of SMFLHP2815S from Interpoint. T030210_T110910_SMFLHP2815S. – NASA, 2010.
9. Stephen Buchner, Christian Poivey, Jim Forney, Hak Kim. TID Test Report SMSA2815S (Interpoint) DC-to-DC Converter. G07SEP_SMSA2815_TID. – NASA/GSFC, 6th No-vember, 2007. 

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru