Радиационно-стойкие линейные стабилизаторы напряжения со сверхнизким падением напряжения для ракетно-космической техники

Всеобъемлющая интеллектуализация борта является устойчивой тенденцией, которая накладывает свой отпечаток на концепцию создания радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (КА). В бортовой аппаратуре КА (подсистеме сигнальной обработки, центральном бортовом компьютере, аппаратуре ввода-вывода информации и др.) широко применяются высокопроизводительные специаль­ные процессоры, а также ПЛИС с низким напряжением питания и большим током потребления. Эти цифровые микросхемы, с точки зрения электропитания, являются мощными и динамичными. Для их питания, как правило, используются эффективные импульсные преобразователи. Однако применение этих преобразователей связано с такими недостатками, как влияние шумов. В результате предпочтение зачастую отдаётся линейным стабилизаторам напряжения с небольшим падением напряжения [1]. Спе­цифическим и одним из важнейших требований к электронным компонентам, предназначенным для применений в составе аппаратуры КА, является радиационная стойкость, которая во мно­гом определяет вероятность безотказной работы бортовых систем и, как следствие, длительность срока активного существования (САС) КА (в настоящее время стоит задача обеспечения САС КА в течение 10–15 лет).

Для обеспечения питанием СБИС и ПЛИС, требовательных к уровню шумов, компания International Rectifier пред­лагает радиационно-стойкие (RAD-Hard) линейные стабилизаторы напряжения (ЛСН) со сверхнизким падением напряжения (ULDO) серии IRUH3301, исполненные по интегрально-гибридной технологии с применением КМОП-микросхемы типа «кремний на изоляторе». В табл. 1 приведены основные ха­рактеристики ЛСН серии IRUH3301, а на рис. 1 показан внешний вид стабилизатора, выполненного в компактном 8-выводном корпусе Flat Pack для поверхностного монтажа. 

Не­обходимо заметить, что доступны также модели в металлических корпусах MO-078 для монтажа в отверстия печатной платы.

Схемотехническое решение и особенности применения

Упрощённая принципиальная схема ЛСН серии IRUH3301 приведена на рис. 2.

Стабилизаторы серии IRUH3301 выполнены по хорошо известной схеме компенсационного стабилизатора с по­следовательным включением регулирующего элемента (РЭ), в котором заданные характеристики выходного напряжения обеспечиваются с помощью цепи обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент [2–7]. Ста­билизация напряжения в стабилизаторе с последовательным вклю­че­ни­ем РЭ осуществляется посредством автоматического изменения его сопротивления под действием управ­ляющего сигнала, называемого сигналом ошибки. Сигнал ошибки формируется с помощью усилителя ошибки на основании сравнения части выходного напряжения стабилизатора и напряжения источника опорного напряжения. Изме­не­ния вход­ного напряжения или тока нагрузки приводят к соответствующему изменению сопротивления РЭ и падению напряжения на нём. Для нормальной работы стандартного интегрального стабилизатора входное напряжение должно превышать выходное напряжение по крайней мере на 3 В. Для стабилизаторов с большими выходными токами и небольшими напряжениями такое падение напряжения приводит к значительным потерям мощ­ности и увеличению размеров элементов рассеивания тепла. Сущест­венное снижение падения напряжения на стабилизаторе достигается путём применения в качестве регулирующего элемента p–n–p транзистора [3, 4, 6]. В качест­ве базового тока выходного транзистора РЭ используется ток стока тран­зистора МДП (MOSFET). Мини­мальное падение напряжения на стабилизаторе равно напряжению насыщения коллектор–эмиттер транзистора РЭ и не превышает 0,4 В.

На рис. 3 показана схема типового вклю­­чения линейного стабилизатора с фик­сированным выходным напряжением.

В моделях с функцией регулировки выходного напряжения необходимо устанавливать внешний резистор R1, подключаемый к выводу ADJ, номинал которого определяется в соответствии со следующей формулой:

R1 = (V_out/(0,8 В) – 1) × 499 Oм.

В табл. 2 приведены ближайшие (в пределах допуска 0,1%) значения сопротивления резистора R1 для получения заданных значений выходного напряжения.

Токовая и тепловая защита

Защита от перегрузки в стабилизаторах серии IRUH3301 обеспечивается посредством функции синхронизированной защёлки. Ток управления внутренним регулирующим p–n–p транзистором ограничивается резистором R_b (рис. 2), стоящим между базой транзистора и МДП-транзистором схемы управления. Если при перегрузке по току падение напряжения на этом резисторе превысит 0,5 В (ном.), срабатывает функция защёлки. Время защёлкивания (t_latch) номинально составляет 10 мс. В том случае когда состояние перегрузки по току длится менее времени t_latch, защёлка не будет установлена. Если защёлка установлена, ток управления регулирующего p–n–p транзистора будет отключён. Состо­я­ние защёлкивания будет сохраняться до тех пор, пока будет иметь место один из следующих режимов:

1. напряжение на выводе SHDN уста­новлено выше 1,2 В, а затем опустилось ниже 0,8 В;

2. напряжение на выводе V_in опус­ти­лось ниже 1,7 В.

В том случае когда температура корпуса ИМС стабилизатора превышает номинальное значение +140°С, схема тепловой защиты установит внутреннюю защёлку и блокирует ток управления регулирующего p–n–p транзистора, как уже было описано. После падения температуры корпуса ниже номинального значения +125°С защёлка может быть сброшена при использовании любого из двух перечисленных режимов.

Блокировка при пониженном входном напряжении

Функция блокировки при входном напряжении ниже номинального не допускает работу устройства, когда входное напряжение V_in ниже, чем 1,74 В (номинальное значение). Су­щест­­вует гистерезис с номиналом 100 мВ выше этого значения.

Диапазон входного напряжения

Устройство полностью функционально, когда входное напряжении V_in выше, чем 2,8 В. Стабилизатор входит в режим блокировки при пониженном входном напряжении V_in < 1,7 В (номинальное значение). Когда V_in< 1,7 В < 2,8 В, выходное напряжение V_out будет отслеживать V_in и может произойти отклонение от установленного значения. Для замедления скорости повышения V_outпри медленном изменении V_in следует применять конденсатор большой ёмкости.

Дистанционное выключение

Стабилизатор может быть выключен подачей на вывод SHDN напряжения более 1,2 В. Стабилизатор возвращается в рабочий режим, когда напряжение на выводе SHDN будет установлено ниже порога отключения 0,8 В. В том случае когда не требуется применять дистанционное выключение, вывод SHDN следует соединить с GND.

Входные конденсаторы

Для правильной работы устройства необходимо установить входные блокировочные ёмкости: два высокочастотных керамических конденсатора (0,1 мкФ и 1 мкФ) и два танталовых конденсатора с низким эквивалентным последовательным сопротивлением ём­костью 100 мкФ (AVX TPS или эквивалентные), размещаемые в непосредственной близости к выводу V_in. Если конденсатор входного источника установлен на расстоянии более 100 мм от стабилизатора, рекомендуется применять дополнительный входной конденсатор. Кон­денсатор с большей ёмкостью улучшает подавление пульсаций, способствуя улучшению стабильности выходного напряжения.

Выходные конденсаторы

Для обеспечения устойчивости при импульсном изменении тока нагрузки требуется установить выходные блокировочные конденсаторы: два керамических конденсатора (0,1 мкФ и 1 мкФ) и два танталовых конденсатора с низким эквивалентным последовательным сопротивлением ёмкостью 100 мкФ (AVX TPS или эквивалентные). Для снижения уровня пульсаций может быть установлено несколько дополнительных керамических конденсаторов ёмкостью 1 мкФ. Не рекомендуется применение конденсаторов ёмкостью больше 1 мкФ, так как они могут вызвать нестабильность выходного канала.

Использование танталового конденсатора с ёмкостью больше указанной ранее рекомендуется для улучшения переходной характеристики при импульсном изменении тока нагрузки. Верхний предел значения ёмкости обуславливается запаздывающим срабатыванием защёлки при перегрузке по току и может быть до 10 000 мкФ, чтобы при этом не вызывать защёлкивания устройства во время запуска.

Основные правила компоновки печатной платы

Весьма важным является обеспечение низкого значения полного сопротивления соединительных линий между выходом стабилизатора и нагрузкой. В связи с этим настоятельно рекомендуется использовать сплошные слои печатной платы для питания и «земли». Если импеданс платы не поддерживается небольшим, может возникнуть высокочастотная генерация, обусловленная влиянием паразитных последовательных сопротивлений и индуктивностей на запас регулирования по частоте и фазе контура.

Вывод V_sense должен быть соединён непосредственно с выводом V_out по возможности более коротким проводником на печатной плате.

Установку выходных конденсаторов необходимо производить в непосредственной близости от контактов V_out и GND и делать соответствующую трассировку на печатной плате с максимально допустимой правилами проектирования шириной проводника. Следует избегать использования переходных отверстий для монтажа этих конденсаторов. На рис. 4 показано размещение элементов на первом слое печатной платы; из рисунка видно, что керамические конденсаторы устанавливаются в непосредственной близости от выходов стабилизатора.

Соответственно, входные конденсаторы должны быть размещены насколько можно ближе к контакту V_in.

Для расчёта тепловых режимов стабилизатора можно воспользоваться зависимостью выходного тока от температуры его корпуса, представленной на рис. 5.

К выходному напряжению интегрально-гибридных линейных стабилизаторов серии IRUH3301 предъявляются высокие требования по точности требуемого номинала. Логические устройства, такие как FPGA и микропроцессоры, которые являются нагрузками для этих схем, имеют тенденцию к снижению собственного рабочего напряжения и сокращению допустимого диапазона изменения напряжения. Исходя из этих посылов, современный стабилизатор должен обладать высокой точностью выходного напряжения, сохраняющейся в условиях воздействия переменной температуры, радиации и других дестабилизирующих факторов, большим сроком службы и способностью обеспечивать низкий уровень напряжения (до 1 В и ниже).

В стабилизаторах новой серии IRUH3301 в процессе общего улучшения их параметров по сравнению с характеристиками моделей предшест­вующих серий был реализован ряд решений, направленных на обеспечение более высокой точности и более низкого значения минимального выходного напряжения. Наряду с этим новая разработка использует микросхему управления, созданную по технологии «кремний на изоляторе», которая обеспечивает очень хорошую радиационную стойкость по отношению к накопленной дозе, улучшая тем самым стабильность напряжения при воздействии ионизирующего излучения. Кроме того, технические характеристики в отношении одиночных эффектов от воздействия протонов и ионов также стали значительно лучше. Применение внутреннего источника опорного напряжения с низким напряжением позволяет стабилизаторам новой серии обеспечивать выходные напряжения, снижающиеся до 0,8 В, что соответствует требованиям эксплуатации современных цифровых устройств.

Ресурсные испытания

Результаты ресурсных испытаний стабилизаторов серии IRUH3301 по Method 1005 стандарта MIL-STD-883 представлены на рис. 6. 

При разработке этих изделий выдвигалось требование получить значение отклонения от номинала ±1%. Самый большой вклад в отклонение от номинала стабилизатора вносится старением интегральной микросхемы регулятора. При разработке данной микросхемы была поставлена цель добиться предела отклонения, вызываемого старением, величиной в 1%. Резисторы имеют максимальное значение отклонения ±0,5% при ресурсных испытаниях в течение 2000 часов, типовое значение составляет около 1/10 от указанного максимума [8].

Накопленная доза радиации

Во время разработки своих изделий, предназначенных для применения в аппаратуре ракетно-космической техники, которая при эксплуатации подвергается воздействию ионизирующих излучений заряженных частиц, компания International Rectifier проводит квалификационные испытания изделий на воздействие ионизирующих излучений и одиночных ядерных частиц. Отчёты по результатам испытаний находятся в свободном доступе на сайте компании или доступны по запросу. Таким образом, гарантируется доступ к информации об устойчивости к воздействию радиации и другим внешним воздействующим факторам. Зачастую получить такую информацию от других поставщиков высоконадёжной техники не представляется возможным [9].

В качестве руководства по разработке процедуры испытания использовался Method 1019 Ionizing Radiation (усло­­вие А) стандарта MIL-STD-883G. Этот метод устанавливает основные требования к выполнению испытаний. Со­гласно условию A стандарта мощность дозы ионизирующего излучении должна быть между 50 и 300 рад (Si)/с от источника типа ⁶⁰Co. Интен­сив­нос­ти облучения могут быть разными для каждого значения суммарной дозы, однако мощность дозы не должна различаться более чем на ±10% во время каждого облучения.

Устойчивость к воздействию накопленной дозы радиации отражает рис. 7. 

Согласно требованиям стандарта, чтобы произвести оценку IRUH3301 при накопленной дозе до 300 крад (Si), тест был проведён при уровне дозы на 50% большем, поэтому в результатах фигурируют и данные, полученные для 500 крад. Отклонения выходного напряжения, связанные с воздействием накопленной дозы радиации, лежат в пределах от +0,5% до –1% номинала. Этот показатель был проверен на выборочной основе для каждой партии кремниевых пластин. Он значительно лучше, чем аналогичный показатель для предыдущей серии, который с прежней версией микросхемы управления мог изменяться до 6% при 500 крад (Si) [10].

ELDRS – повышенная устойчивость к воздействию ионизирующих излучений небольшой интенсивности

Испытания на определение устойчивости полупроводниковых интегральных микросхем к воздействию ионизирующих излучений небольшой интенсивности применяются для изделий, которые могут выдавать отказы при мощ­ностях дозы излучения ниже 50 рад (Si)/с. Методика испытаний была выработана на основе Method 1019 Io­ni­zing Radiation (условие D) стандарта MIL-STD-883. Этот метод устанавливает основные требования к выполнению испытаний. Согласно условию D, которое применяется для микросхем, выполненных на биполярных транзисторах по технологии BiCMOS или принадлежащих к смешанному типу (аналоговые и цифровые), устройства подвергаются воздействию низкоинтенсивного радиационного облучения с мощностью дозы не более 10 мрад (Si)/с. Исключение составляют те случаи, когда суммарная доза выше 25 крад (Si) – в этих случаях полное время воздействия радиации должно быть не менее 1000 ч, а мощность дозы должна быть определена из суммарной дозы (включая любые факторы тестирования) и времени воздействия радиации.

Полученные результаты воздействия ионизирующего излучения небольшой интенсивности представлены на рис. 8 [11]. Как видно из графика, они тоже лежат в пределах от +0,5% до –1% номинала, заданных в спецификации.

Стойкость к воздействию потока нейтронов

Для стабилизаторов напряжения серии IRUH3301 были проведены испытания с целью определения влияния повреждений структуры полупроводникового материала, связанных с воздействием потоков нейтронов, на технические характеристики этих уст­ройств. Все тестируемые образцы были подвергнуты воздействию потоков нейтронов 10¹¹ и 10¹² нейтрон/см². Пос­­ле воздействия потока нейтронов с уровнем выше 10¹² нейтрон/см² было выявлено ухудшение в отношении напряжения на регулировочном транзисторе и порогов срабатывания функции защёлкивания при перегрузке по току, однако даже в этом случае устройства сохраняли свою работоспособность и основные электрические характеристики вплоть до значений порядка 10¹³ нейтрон/см². Испытания проводились в соответствии с требованиями Method 1017 Neutron Irradiation стандарта MIL-STD-883. Подробно про­цедура испытаний и их результаты описаны в [12].

Результаты испытаний на воздействие отдельных ядерных частиц

Необходимо отметить, что на долю одиночных эффектов от воздействия ионов естественных радиационных поясов земли, солнечных и галактических космических лучей приходится до 35% зарегистрированных отказов.

В декабре 2005 года компания Inter­national Rectifier испытала стабилизаторы напряжения серии IRUH3301 на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц и исследовала одиночные эффекты от воздействия частиц.

Устройства повергались воздействию отобранных пучков ионов. При этом контролировались эффекты перехода микросхем в состояние повышенного потребления тока из-за срабатывания тиристора, образованного одним из транзисторов схемы в паре с паразитным транзистором (Single Event Latch-up – SEL), и переходные ионизационные реакции в виде импульсов напряжения в выходных цепях (Single Event Tran­sient – SET). Для определения стой­­­кости стабилизаторов к воздействию отдельных частиц были выбраны следующие виды ионов: криптон (Kr), ксенон (Xe) и золото (Au). Уровни энер­гий, пороговые линейные потери энергии (ЛПЭ) иона в веществе и глубина проникновения всех выбранных частиц ионов представлены в табл. 3.

Все образцы стабилизаторов были испытаны при значениях ЛПЭ 85,4 МэВ·см²/мг, и не было обнаружено переходов микросхем в состояние повышенного потребления тока (SEL) во всём диапазоне входных напряжений. Во время выполнения всех испытаний на SEL ни в одном из тестируемых образцов не было обнаружено катастрофических отказов.

Результаты испытаний на SET показывают чувствительность изделий к амплитуде входного напряжения. Вначале три образца были испытаны при входном напряжении 7 В и токе нагрузки 1 A с уровнем ЛПЭ 27,8 МэВ·см²/мг и с использованием пучков ионов Kr. При входном напряжении 7 В в каждом образце наблюдались импульсы положительного напряжения на выходе. Вход­ное напряжение понижалось, и проводилось повторное тестирование до тех пор, пока не было установлено значение входного напряжения, при котором не наблюдались импульсы напряжения на выходе (SET). При уровне ЛПЭ 27,8 МэВ·см²/мг два образца не имели реакции в виде импульсов напряжения при входном напряжении 4 В, а третий образец – при входном напряжении 3,7 В. При уровне ЛПЭ 51,5 МэВ·см²/мг два образца показали свою невосприимчивость при входном напряжении 3,8 В, а третий образец – при входном напряжении 4 В. ЛПЭ 85,4 МэВ·см²/мг не вызвали SET у всех трёх образцов при входном напряжении 3,8 В.

В результате испытаний было установлено, что стабилизаторы устойчивы к SET при входном напряжении 3,3 В и минимальном значении входного напряжения 2,9 В. Тестирование не выявило импульсов отрицательного напряжения более 180 мВ у каждого из образцов во всём диапазоне входных напряжений. Наблюдались только два случая появления отрицательного напряжения на выходе, но оба они были квалифицированы как ошибочные (закрывающая шторка оказывалась на линии пучка, что нарушало условия испытаний).

В качестве примера конкретного изделия можно привести стабилизатор IRHU33PA13B20K. В результате испытаний было выявлено, что он невосприимчив к SEL при ЛПЭ 85 МэВ·см²/мг. Также установлено, что на его выходе будут отсутствовать импульсы напряжения более 200 мВ при входных напряжениях 3,7 В и ниже и уровнях ЛПЭ до 85 МэВ·см²/мг. Более подробно с процедурой тестирования стабилизатора напряжения IRHU33PA13B20K на воздействие ионов и результатами испытаний можно ознакомиться в [13].

Заключение

Результаты испытаний показывают, что компенсационные стабилизаторы напряжения серии IRUH3301 имеют улучшенные показатели стабилизации напряжения ±3%. В типовых применениях, требующих высокой надёжности, допустимые отклонения составляют примерно –2,4/+2,6%. Это существенно лучше по сравнению с предшествующими сериями стабилизаторов, которые имели точность установки выходного напряжения примерно –4/+8%.

Необходимо заметить, что улучшенные показатели присущи только тому варианту исполнения стабилизатора, который использует интегральную схему управления собственной разработки. В ближайшее время планируется выпуск новой модели этой схемы, с чем связаны надежды на дальнейшее улучшение технических характеристик стабилизаторов. ●

Литература

1. Стив Нос. Обеспечение электрического питания ПЛИС с помощью мощных линейных LDO-стабилизаторов // Элект­рон­ные компоненты. – 2010. – № 6.

2. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: справочник / Г.С. Най­вельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. – М. : Радио и связь, 1985. – 576 с.

3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт: учеб. пособие. – М. : СОЛОН-ПРЕСС, 2008. – 448 c.

4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справ. рук.: [пер. с нем.]. – М. : Мир, 1982. – 512 c.

5. Источники вторичного электропитания / С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гуля­ко­вич и др.; под ред. Ю.И. Конева. – М. : Радио и связь, 1983. – 280 с.

6. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлект­ронной аппаратуры. – М. : Три Л, 2000. – 400 c.

7. Ци Денг. LDO-регуляторы // Элект­рон­ные компоненты. – 2008. – № 8.

8. Michael F. Thompson, James A. Brandt. DC Output Regulation of the IRUH3301xxxx: Application Note AN-1161. – International Rectifier.

9. Покровский И. Семинар РА «Росавиа­кос­мос» // Электронные компоненты. – 2002. – № 8.

10. IRUH3301 Voltage Regulator Total Ioni­zing Dose Test Report. – International Rec­ti­fier, July 2010.

11. IRUH3301 Voltage Regulator Enhanced Low Dose Rate Sensitivity Test Report. – In­ter­national Rectifier, July 2010.

12. IRUH3301 Neutron Test Report. – Inter­national Rectifier., October 2010.

13. IRUH3301 Single-Event Effects Test Re­port. – International Rectifier, December 2005.

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 232-2522
E-mail: info@prochip.ru