抗辐射LDO 单粒子效应的测控系统设计与实现

李 欢，顾小明，徐晴昊

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

低压差线性稳压器（LDO）是线性稳压器的一种[1]，其芯片集成了过载保护模块、基准模块、延时启动模块、温度保护模块等，具有成本低、噪音小、压降小、静态电流小、效率高、可靠性高等突出优点[2-3]。随着电子信息产业及空间技术的飞速发展，越来越多的LDO芯片被广泛应用于FPGA、微控制器、专用集成电路（ASIC）和航空航天器的电源系统。在空间辐射环境中，除了高安全、高可靠性等要求外，还不可避免地需要具备抗辐射能力，而器件抗辐射能力的强弱已成为影响器件在航空航天电子应用中的重要指标之一。LDO 电源的抗辐射性能指标主要包括单粒子闩锁（SEL）、单粒子功能中断（SEFI）和单粒子翻转（SEU）[4-6]。

目前，传统的针对LDO 器件抗辐射性能的测试装置通常存在由于采样率过低导致无法精确采集信号的真实数据和无法实现多路信号高速并行实时监测的问题。文献[7]设计了一种集成电路的通用单粒子效应测试系统，能够满足单粒子的各项检测要求，但是数据采集量不够多。文献[8]专注于LDO SEL 效应研究及限流值对SEL 的影响。本文提出了一整套测试系统，该测控系统支持远程数据传输和数据存储功能，可实现8 通道信号并行实时监测，采样速率高达60 MHz/s，具有图形显示界面，可通过图形界面更加直观地实时监测单粒子试验过程中电压、电流等数据的变化情况，既能满足单粒子效应的试验要求，又能为LDO 器件的单粒子效应研究提供数据参考。

2 单粒子效应及测控需求

2.1 单粒子效应定义

单粒子效应指单个空间高能带电粒子击中微电子器件灵敏部位，由于电离作用产生额外电荷，使器件逻辑状态发生改变、功能受到干扰或失效等[9]。单粒子效应的种类很多，主要有SEL、SEFI、SEU 等。

SEL：高能粒子入射击打CMOS 器件中的寄生可控硅结构，产生的瞬时电流使其在正常的高阻断路状态下突变为导通状态，器件电流发生突变，远远超出正常工作电流，且重新上电后依然保持大电流工作状态，发生SEL 现象[10]；严重情况下，大电流使芯片内部温度不断升高，最终造成器件烧毁。

SEFI：器件的配置控制模块、通信逻辑、上电复位电路、基准电压模块或全局逻辑控制电路等受到高能粒子轰击后造成器件功能异常，发生单粒子功能中断；通过断电重启或者复位功能可使器件恢复正常工作。

SEU：单个高能粒子入射击中微电子器件灵敏区，从而引发器件内部的逻辑状态发生突变，原本的“高”状态变为“低”状态，原本的“低”状态变为“高”状态，因此造成器件输出翻转、功能异常[11]，发生SEU 现象。

2.2 单粒子效应测控需求

器件的单粒子效应主要体现在3 个方面：一是电源电流异常变大，达到锁定；二是功能异常；三是输出信号发生翻转。因此，测控系统必须要同时监测输出信号的变化和功耗电流的变化。

对于LDO 电源而言，为了达到可靠、真实、安全、实时的器件监测，需要测控系统具备以下功能：具备宽电源输入，满足不同的芯片电压；用以给芯片负载电流的电子负载；对输出信号的正确性进行判断；具备图形界面，可以更为直观地监测；具备远距离传输功能；具备数据存储功能。

3 测控系统实现

3.1 测控系统硬件实现

测控系统的硬件架构如图1 所示，由器件试验板、NI 工控机、外接设备（程控电源、电子负载）、远程计算机、上位机控制软件等模块组成。

图1 测试系统硬件架构

单粒子试验电路测试板上集成了被辐射电路、存储数据芯片和内置有下位机控制软件的ARM 芯片。将单粒子试验电路测试板固定在通用脚架上，调节坐标，保证试验过程中粒子源通过离子加速器可以精准入射打击到试验电路。通过外接电源给予电压，外接电子负载提供负载电流，使电路正常工作。单粒子试验电路测试板通过长度约2 m 的转接线连接到NI 工控机，再通过50 m 左右的网线与辐照试验室外的远程计算机相连接，实现远程监控，保障试验人员的人身安全。

理论上采样速率越高，同一时间段得到的数据越多，还原出来的信号就越接近真实信号。为了无失真地还原真实信号，本系统采用NI 工控机及其硬件板卡，以PXIe 总线方式搭建硬件框架，以NI 工控机自带的LabVIEW 进行软件设计开发。该测控系统可同时实现8 路信号采集、运算和存储，采样率高达60 MHz/s，最大控制器带宽高达2 Gbit/s。通过总线接口外挂程控电源，电子负载等设备实现数据通信，实时监测单粒子试验板上电路是否正常工作、输出信号是否稳定，同时监测电路在辐照环境下是否发生单粒子效应。

3.2 测控系统软件实现

测控系统的软件主要包括设置界面和监测界面两大功能模块。设置界面包括电源及设备设置、数据采集存储设置、单粒子事件设置、采集速率设置等功能。监测界面包括异常波形监测、实时电流监测，多通道信号监测、单粒子事件统计等功能。

3.2.1 电源设置及设备控制

由于LDO 芯片的工作电压范围广，带载电流大，该系统板卡自带最高电压10 V，最大工作电流6 A。若芯片工作电压超出范围，亦可通过GPIB 接口连接外部电源实现更大范围的工作电压，让不同电压、不同电流的LDO 芯片正常工作。

3.2.2 数据采集存储

单粒子试验中，数据需要长时间连续不断地采集，采集速率高、时间长、通道多，对数据流盘的功能有很高的要求，因此本系统通过软件设置一部分内存资源作为数据缓冲区，NI 数据采集卡将采集到的数据放置在数据缓冲区，等待空闲时将数据读出，放置到磁盘阵列，避免了数据量太大引起的数据溢出错误。同时在单粒子试验中，工作正常的数据占比较大，浪费了大量资源，不利于数据分析，因此采用了定时保存数据的功能，每间隔固定时间保存一次数据，并覆盖之前的正常数据，保证了程序的高速运行，减少了资源的占用。

3.2.3 单粒子事件设置

LDO 芯片的输出信号正常为常高电平，当出现一个低于输出信号的负脉冲或高于输出信号的正脉冲，则认为是发生了一次单粒子事件。计算脉冲数最简单的办法就是设置一个上门限阈值和一个下门限阈值，记录脉冲超过门限阈值的次数[12]。而在单粒子试验过程中采样速率高，由于测试板、仪器及环境的影响，不可避免地会引入噪声，导致数据产生一些波动，从而可能发生一个脉冲被重复统计的现象，影响单粒子试验结果。本系统采用了双门限检测方法，需要同时采样到上升沿与下降沿才算一次脉冲，并且可以通过设置检测脉冲宽度的时间，避免噪声导致的异常脉冲被重复统计。系统还根据脉冲值的大小，分段式地设置2段门限阈值，方便数据统计与分析。

3.2.4 单粒子事件监控模块

针对SEL 事件，系统设置了大电流限流值，实时显示并保存电流值，当发生SEL 事件时指示灯由绿变红。针对SEU、SEFI 事件，系统实时得出输出信号的值并以波形在监控界面中显示。当发生了单粒子事件时，监控界面会显示最新发生单粒子事件的异常波形，提供给实验人员实时观察分析，系统同时将异常波形的数据保存至计算机内存，供后期进行数据分析。

4 试验结果

某款LDO 器件的抗辐射单粒子试验板如图2 所示，为了验证测控系统的功能，首先建立起系统与器件之间的通信，对系统接收到的输出信号与电流值同万用表测试到的值进行比较，二者基本一致。然后向器件注入一个错误信号来模拟单粒子效应，在监控界面统计出错误计数，并在“异常波形”窗口中显示出来。当器件恢复正常工作时，系统读取到的输出信号与电流值也恢复正常，图形显示与实际情况基本一致，满足要求。

图2 某款LDO 单粒子试验板

在兰州近代物理研究所与北京原子能科学研究院进行的单粒子辐照试验中，对某款LDO 器件在不同工作条件下的输出信号与软启动信号进行监控，单粒子试验条件及结果如表1 所示。

表1 单粒子试验条件及结果

对该款LDO 器件的单粒子摸底试验结果分析归纳如下：器件在Ge 粒子辐照下，无单粒子事件发生；器件在不同粒子辐照下，粒子能量越高，发生SEU 事件次数越多；器件在Ta 粒子辐照下，发生单粒子事件；器件在不同粒子辐照下，无SEL 事件发生。

通过对试验结果及数据的分析，发现该款LDO器件在轻粒子Ge 辐照下无单粒子事件发生，在重粒子Ta 辐照下发生SEU、SEFI 事件，器件功能异常。试验验证了LDO 器件单粒子效应测控系统的实用性和稳定性，对其他LDO 器件的单粒子试验具有参考意义。

5 结论

本研究设计了一种LDO 器件的单粒子效应测控系统，并对系统的所有功能进行了试验验证，满足LDO 器件的单粒子实验需求。该系统不仅可以实现一般LDO 器件对电流、输出信号的监测，同时满足对不同单粒子效应下的监测要求，为单粒子效应实验研究提供了数据参考，大大节约了实验成本，在未来国产LDO 器件的单粒子试验中拥有广阔的应用前景。