电流型PWM控制器单粒子脉冲瞬态效应的试验研究

程 铭 周洪生 余海生

（中国电子科技集团公司第二十四研究所 重庆 400060）

电流型PWM控制器单粒子脉冲瞬态效应的试验研究

程 铭 周洪生 余海生

（中国电子科技集团公司第二十四研究所 重庆 400060）

采用理论分析与试验对比的方式，对脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制器的脉冲激光模拟单粒子瞬态(Single Event Transient, SET)效应的等效性进行研究。对常用的电流型PWM控制器采用脉冲激光进行照射试验，通过改变激光能量得到不同条件下的试验数据，并与重离子照射条件下的试验数据进行对比。试验结果证实线状能量传递值LET (Linear Energy Transfer)=65.2 MeV·cm2·mg-1的868.3MeV Xe重离子与波长1.064μm、能量为1-2 nJ的脉冲激光产生的SET效应最为接近。试验结果为采用脉冲激光对同类型PWM控制器进行模拟SET试验提供了数据支撑。

脉冲激光，PWM控制器，等效LET，单粒子瞬态效应

随着航天航空技术的发展，空间辐射效应研究急需进一步深入，单粒子效应是研究的重点之一[1]。脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制器广泛应用于各种DC/DC变换器中，对功率开关管进行控制，其单粒子效应对DC/DC变换器的性能具有重要影响。目前，进行单粒子效应试验的主要方法为采用高能粒子加速器生成满足条件的重离子进行。相比于高能粒子加速器，激光脉冲具有能量控制简单、试验花费小的优点，利用脉冲激光对半导体器件单粒子效应进行模拟试验是相对崭新的课题。

1 试验机理

1.1 物理过程

重离子在器件材料中通过直接电离作用以及产生核反应生成次级重离子的间接电离产生并累计有效电离电荷，被器件的灵敏结所收集，当收集电荷超过某一临界值时，器件的电学状态发生改变，导致单粒子效应发生。脉冲激光经过光电效应生成电子空穴对，通过漂移与扩散运动，经过器件的灵敏结时被收集，载流子数量超过某一临界值后，器件电路输出端产生一个对应的瞬态脉冲信号，并传播至后续电路中，单粒子效应发生，之后迅速完成载流子的重新分布直至复合平衡[1]。

从物理过程上看，重离子和脉冲激光在半导体器件中产生单粒子效应机理类似，都是器件对电离电荷的收集传输过程。

1.2 等效LET值

根据相关理论，实验室常用的波长λ=1.064 μm的激光在硅材料中穿透深度远大于器件灵敏层的深度，在这种弱吸收条件下，激光的线状能量传递值LET (Linear Energy Transfer)可以看成均匀变化，计算公式[1]为：

式中，λ为激光波长，cm；α为吸收系数，cm-1；Eion为Si中产生一个电子-空穴对所需的能量，eV；ħ为普朗克常数；c为光速；ρ为半导体密度，mg·cm-3；E0为激光能量，pJ。

同时，一般情况下，硅器件表面都有一层钝化层，用于对器件的保护。在进行LET计算时，还必须考虑到该钝化层对激光的反射和折射效应。典型情况下钝化层厚度为0.5μm，考虑到由于器件扩散工艺导致的器件钝化层不均匀性，通常取实际透射率为60%[2]。

另一方面，当进行较高的LET值测试时，需采用较高的激光强度。在这种情况下，会导致比较严重的非线性吸收现象，主要是双光子吸收效应，需要对LET值进行修正。随着激光强度的增加，由于双光子吸收效应产生的电荷量减小，其具体对应关系见图1[3]。

图1 Qα,β/Qα,β=0随激光强度变化图Fig.1 Relationship between Qα,β/Qα,β=0 and I0.

图1 中，Qα,β/Qα,β=0为考虑双光子吸收和仅有线性吸收时激光在半导体中沉积电荷之比；I0为激光强度。计算公式为：式中，w为脉冲宽度；σ为光斑面积。

在进行LET计算时，一般先采用式(1)计算得到线性吸收下的理论值，再根据反射、折射效应和非线性效应对LET值进行校正。

2 条件及方法

2.1 PWM控制器工作原理

试验用电流型PWM控制器为采用硅双极功率IC工艺制造的模拟集成电路。内部主要功能单元有5.0V基准电压源、振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、PWM锁存器、欠压锁定电路、门电路、输出级等，其原理框图见图2。

图2 电流型PWM控制器原理图Fig.2 Diagram of the current mode PWM controller.

以电流型PWM控制器为核心的控制系统为峰值电流型双环结构，其中电压环为外环，输出电压经过采样、误差放大、隔离反馈后得到反馈信号送入PWM控制器，与内部2.5V基准比较后产生误差信号。电流环为内环，一般为逐周采样的电流信号。误差信号和电流信号共同对脉冲驱动信号的占空比进行控制，到达稳定输出电压的目的。峰值电流控制原理见图3。

图3 峰值电流控制原理Fig.3 Control principle of peak current mode.

2.2 测试系统

为了更真实地反映闭环PWM控制器的单粒子效应在闭环反馈系统中的现象，将控制器安装在DC/DC变换器中，并将重要的信号从各端口引出进行监测。

PWM控制器的外围线路如图4所示。

图4 电流型PWM控制器外围线路图Fig.4 Schematic of the current mode PWM controller.

DC/DC变换器采用单端正激结构，PWM控制器采用裸芯片，供电偏置电压VCC设置为12V，震荡器RC设置为3.9kΩ、430pF，设置开关频率为500kHz，电流采样电阻0.2Ω，采样后的电流信号通过560Ω、330pF的小型RC滤波器送入PWM控制器3脚。输出电压通过电阻分压采样后进行误差放大及隔离反馈后送入PWM控制器2脚。

试验过程中监测的电信号包括PWM基准电压VREF、驱动脉冲信号VPWM、MOS管漏源电压VDS和DC/DC变换器输出电压VO。这4个信号通过示波器探头接入一个4通道数字示波器，在试验过程中实时监测并记录波形变化情况。

2.3 试验条件

重离子试验采用中国科学院近代物理研究所重离子加速器(Heavy Ion Research Facility at Lanzhou, HIRFL)，试验离子种类为136Xe，初始能量2053.6MeV，硅中射程154.41μm。经过30μm钛窗和55mm空气层后能量为868.3MeV，Si中射程64.7μm，LET值65.2 MeV·cm2·mg-1。试验时调整芯片位置，使芯片与离子输出器钛窗距离55mm，满足试验条件。离子注量率设置为2 000ions·s-1，DC/DC变换器负载条件为50%满载。

激光试验采用中国科学院空间科学与应用研究中心脉冲激光单粒子效应实验装置(Pulsed Laser Single Event Effects Facility, PLSEE)，试验激光波长为1.064μm，脉冲宽度20ps，光斑直径3μm。试验时将DC/DC变换器固定到脉冲激光试验装置上，使PWM控制器处于工作状态。设置脉冲激光源，使其按一定的频率和能量发出激光脉冲。然后按照芯片尺寸设置工作台，使PWM控制器按设定的x轴扫描速度、y轴偏移步长进行移动，直至扫描完整个芯片。扫描条件：激光脉冲频率1kHz，激光能量0.5-10nJ，光斑直径3μm，y轴步长5μm，x轴扫描速度5mm·s-1。DC/DC变换器负载条件同重离子。

3 试验数据

3.1 重离子试验

试验过程中由重离子作用而引起PWM控制器单粒子瞬态效应(Single Event Transient, SET)主要有两种模式。

第一种模式：基准电压VREF变化引起驱动脉冲VPWM变化，进而引起VO和VDS的变化。

图5(a)展示了试验过程中PWM控制器VREF的最大变化情况，异常波形的极性和变化幅度为+0.8V、-0.7V，异常持续时间从开始变化到恢复为稳态值的1%偏差范围内的时间为32μs。

第二种模式：基准电压 VREF不变而VPWM异常变化，进而引起VO和VDS的变化。

图5(b)展示了试验过程中在不影响PWM控制器VREF的情况下VPWM的脉冲宽度异常的情况。连续出现两个周期的大占空比驱动脉冲。

图5 868.3 MeV Xe离子引起SET效应图(a) 模式一，(b) 模式二Fig.5 SET caused by 868.3-MeV Xe ion. (a) Type 1, (b) Type 2

3.2 激光试验

在试验过程中随着激光脉冲扫描到芯片的不同位置，监测信号的变化也可分为两种模式。扫描到基准源部分，出现的主要SET为基准电压VREF发生波动，进而影响其余监测波形。扫描到误差放大器以及输出级时，出现的主要SET为驱动脉冲VPWM的异常变化。

第一种模式：基准电压VREF波动引起驱动脉冲VPWM变化。图6展示了激光能量从0.5-10nJ变化时，PWM控制器基准电压VREF发生最大幅值变化情况。其规律为当激光能量逐渐增加，VREF波动的幅值逐渐增大，波动的维持时间逐渐延长。

图6 0.5nJ (a)、1nJ (b)、2nJ (c)、10nJ (d)激光能量引起SET效应图Fig.6 SET caused by 0.5nJ (a), 1nJ (b), 2nJ (c) and 10nJ (d) laser energy.

第二种模式：基准电压 VREF不变而VPWM异常变化。

图7展示了激光试验过程中在不影响PWM控制器VREF的情况下驱动脉冲VPWM的异常变化情况。

4 分析

4.1 试验数据分析

PWM控制器的单粒子效应在相关文献中已有论述，主要的效应为SET，敏感单元包括电压基准、误差放大器以及输出级等[4-6]。对器件SET性能的评估主要针对SET特征综合波形进行，评估的因数有波形的极性、脉冲幅度、脉冲宽度三个方面。

试验用电流型PWM控制器的基准源采用典型带隙基准，可提供5.0 V±1%电压基准输出。其组成部分包括启动电路、恒流源、内部参考源以及过流保护电路。内部参考源电路受到重离子轰击或脉冲激光照射时，电离电荷被敏感元件吸收，工作点受到影响，引起基准电压VPWM发生突变。由于误差放大器的正向输入端电压是通过VPWM分压得到，所以基准电压VPWM又引起误差放大器工作状态的变化。

对于第一种SET模式，在一次SET过程中，基准电压VPWM首先异常升高，同时误差放大器正向输入电压升高，这将导致误差放大器输出也升高，根据峰值电流控制原理，引起驱动脉冲VPWM展宽。之后载流子迅速复合平衡，基准电压迅速回落并在一次反向过冲后轻微振荡恢复到正常值。在基准电压反向恢复低于5.0V的时间内，由于误差放大器输出降低，将引起VPWM占空比减小甚至丢失。在SET过程中VPWM的变化将导致VO和VDS的变化，变化趋势为VPWM展宽导致VO和VDS升高，VPWM缩窄或丢失导致VO和VDS降低。

对SET波形进行定量分析，在重离子作用下采集到的基准电压VREF变化值正向为0.8V，负向为-0.7V，从电压开始变化到恢复到正常值的时间为32μs左右。与表1的激光测试结果对比，与1-2 nJ的测试结果具有较高的相似性。

表1 不同激光能量引起VREF异常情况Table 1 VREF change caused by different laser energy.

对于第二种SET模式，由于实验条件限制，无法对误差放大器的输出进行监控，所以引起该现象的可能部位为误差放大器和输出级。由于目前尚不能准确定位，同时此种模式下的SET次数比第一种模式少得多，所以仅对此种模式现象进行对比，不进行详细分析。

综上，从试验现象上分析，重离子和脉冲激光的SET效应都分为两个模式，分别影响基准电压VREF和驱动脉冲VPWM。从信号的异常极性、幅度以及维持时间上看，波长1.064μm、能量1-2nJ的脉冲激光和LET=65.2 MeV·cm2·mg-1的868.3MeV Xe重离子作用具有相似性。

4.2 等效LET值计算

试验采用的激光波长为1.064μm，脉宽20ps，光斑直径3μm。对于硅器件，Eion=3.6eV，ρ=2.33g·cm-3，h=6.626×10-34J·s，c=2.998×108m·s-1，α=10 cm-1。根据式(1)，在线性吸收的情况下1-2nJ激光能量等效LET值为82.7-165.5MeV·cm2·mg-1。

器件表面有钝化层，在考虑表面反射和折射后，取相对透射率为60%，则激光的等效值LET修正成为49.6-99.3 MeV·cm2·mg-1。

同时由于激光能量较高，1-2nJ激光强度根据式(2)计算结果为0.71-1.42GW·cm-2，按图1的对应曲线，衰减比近似为0.74-0.66，计算得到在考虑双光子吸收后等效值LET为36.7-65.5MeV·cm2·mg-1。理论计算得到的LET与重离子试验结果吻合较好。

5 结语

通过对重离子和脉冲激光对半导体产生单粒子效应的物理过程进行分析对比，确认其具有相似的物理过程。结合电流型PWM控制器的工作原理分析，分别采用LET=65.2MeV·cm2·mg-1的868.3MeV Xe重离子和波长1.064μm、能量0.5-10nJ的脉冲激光对电流型PWM控制器进行试验。通过对不同能量脉冲激光引起PWM控制器的基准电压VREF和驱动脉冲信号VPWM的SET效应波形及重离子引起的效应波形对比，试验结果表明LET= 65.2MeV·cm2·mg-1的868.3 MeV Xe重离子和波长1.064 μm、能量1-2nJ的激光与引起的单粒子效应最为接近。而理论计算1-2nJ能量的激光对应的LET值为36.7-65.5 MeV·cm2·mg-1，考虑到折射、反射和非线性等因素难以准确计算，因此试验结果与理论计算具有相当的吻合性。试验结果为采用脉冲激光同类器件进行模拟单粒子试验提供了数据支撑。

1 马英起. 单粒子效应的脉冲激光试验研究[D]. 北京:中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）, 2011 MA Yingqi. The single event effects of pulse laser test[D]. Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences (Center for Space Science and Applied Research), 2011

2 Buchner S, Kang K, Stapror W J, et al. Pulsed laser-induced SEU in intergratded circuits: a practical method for hardness assurance testing[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1990, 37(6): 1825-1831

3 Melinger J S, Buchner S, McMorrow D, et al. Critical evaluation of the pulsed laser method for single event effects testing and fundamental studies[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1994, 41(6): 2574-2584

4 Mattsson S. SEE evaluation of pulse width modulators UC2843 and UC2845 from ST microelectronics[R]. European Space Agency Contract Report, 2003

5 Penzin S H, Crain R W, Crawford K B, et al. Single event effects in pulse width modulation controllers[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1996, 43(6): 2968-2973

6 Adell P C, Schrimpf R D, Holman W T, et al. Total-dose and single-event effects in DC/DC converter control circuitry[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2003, 50(6): 1867-1872

CLCTL99, TN431.1

Experimental study on single event transient of current mode PWM controller

CHENG Ming ZHOU Hongsheng YU Haisheng
(Sichuan Institute of Solid State Circuits, China Electronics Technology Group Co., Chongqing 400060, China)

Background: Pulse laser has been proved as an effective tool to simulate single event effects. It is important to evaluate the single event effects in microelectronics circuitry for space science and engineering. Purpose: By the theoretical analysis and experimental comparison, we aim to determine pulsed laser simulation of equivalent single event transient of Pulse Width Modulation (PWM) controller with heavy ion. Methods: By changing the laser energy, we obtained the experimental data under different conditions, and compared with the experimental data under the heavy ion. Results: The experimental results proved that Single Event Transient (SET) effect of 868.3-MeV Xe heavy ion which has 65.2 MeV·cm2·mg-1Linear Energy Transfer (LET) value is similar with that of 1.064 μm, 1-2nJ pulsed laser. Conclusion: The experimental results provide data supports for using the laser pulse to simulate SET test on the same type of current mode PWM controller.

Pulsed laser, Pulse Width Modulation (PWM) controller, Equivalent Linear Energy Transfer (LET), Single event transient

TL99，TN431.1

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120401

程铭，男，1982年出生，2009年于四川大学获电力电子与电力传动专业硕士学位，工程师，研究领域为抗辐照开关电源

2013-11-28，

2014-05-27