VDMOS器件損傷的DC／DC轉換器輻射預兆單元設計

2．2 單元電路設計
根據前文所述預兆單元技術原理，監測參數的預兆單元電路應包括下面3部分。(1)VDMOS器件損傷情況監測電路；(2)監測信號放大電路；(3)輸出電路。下面分別介紹各個功能部分的設計過程。(1)輻射損傷監測電路。通過R1和R2給監測器件固定柵偏壓，這個柵偏壓是報警閾值點。當監測器件閾值電壓負漂到固定柵偏壓時，監測器件導通；(2)監測信號放大電路。在監測器件的上電位加一負載，負載是電阻或p型MOSFET有源負載，負載和監測器件構成放大器，監測器件閾值電壓負漂到報警閾值點時，Vsense由高電平轉化為低電平；(3)輸出電路。輸出電路采用抗輻射加固的反相器實現。抗輻射加固反相器，如圖4所示，增加一個上拉p型MOSFET(p1)，并在n型MOSFET下面引入一個額外的n型MOSFET(n1)。當輸入為高電平時，p1MOSFET關斷，n1MOSFET開啟，原始的反相器工作不受影響。當輸入為低電平時，plMOSFET起上拉作用，使p1MOSFET和n1MOSFET漏端連接點處于高電平，因此n型MOSFET能更有效的關閉。n型MOSFET源漏電壓減小，降低了漏電流，經過輻射后，輸出仍能保持在Vcc附近。整體電路，如圖4所示，當VDMOS器件輻射損傷達到一定程度時，監測信號經過放大和輸出電路最終輸出高電平信號。

3 報警閾值確定與仿真
3．1 報警閾值確定
報警閾值點由VDMOS器件和DC／DC轉換器之間的損傷關系而定，上述兩種不同的失效模對應不同的失效閾值點。下面的方法可以解決不同閾值點的問題。對于VDMOS器件不能關斷失效模式，失效時閾值電壓漂移量△V1=Vth一V1(V1為PWM輸出低電平電壓)。對于效率退化失效模式，根據式(3)和國家軍用標規定推算得閾值電壓漂移量為△V2。對比兩種失效模式閾值電壓負漂量，選取負漂量較小的為失效負漂量。失效閾值電壓負漂量減小20％作為監測閾值電壓負漂量。閾值電壓的監測點由式(4)給出

3．2 仿真驗證
根據選取的DC／DC轉換器電路，確定參數并代入式(4)計算得Vs=1．2V，調整R1，R2的阻值，使DUT器件監測電壓為1．2V。在Pspice下仿真結果，如圖5所示，當VDMOS器件閾值電壓負漂到1．2V時，輸出電壓由低電平變為高電平，實現報警。由于電路采用抗輻射加固設計，其他器件輻射損傷對輸出影響不大，仿真結果沒有變化，在此不再給出仿真結果。航天用DC／DC轉換器工作在很大的溫度范圍內，預兆單元溫度變化仿真結果，如圖6所示，輸出電壓不受影響，跳變點微小變化對報警影響不大。仿真結果證實所設計的預兆單元電路和預警方案是合理可行的。

4 結束語
文中把預警和健全管理(PHM)方法用于DC／DC轉換器抗輻射可靠性研究，研究了VDMOS器件和DC／DC轉換器之間的輻射損傷關系。結合輻射損傷關系和預兆單元技術原理設計了基于VDMOS器件損傷的DC／DC轉換器輻射預兆單元，仿真結果證實所設計的預兆單元可以對DC／DC轉換器輻射損傷失效提前報警。