Влияние радиации на DC/DC конвертеры

10 Влияние радиации на DC/DC конвертеры

Зачастую DC/DC конвертеры должны сохранять свою работоспособность, несмотря на воздействие различных видов радиационного излучения. Условия окружающей среды, воздействию которой будет подвергаться конвертер, могут определять его конструкцию и параметры, а также его работоспособность под действием радиационного излучения и после его окончания. Ниже кратко рассмотрено влияние радиационных факторов на работу DC/DC конвертеров.

10.1 Беспилотные космические аппараты

Радиационная обстановка в основном характеризуется относительно равномерным процессом накопления дозы облучения и единичными случаями воздействия элементарных частиц высоких энергий SEU (Single Event Upsets), которые вызывают единичные сбои в работе элемента, не вызванные потерей работоспособности и не влекущие таковую.
Дозой облучения называется энергия излучения, поглощенная в единице объема или массы вещества за все время воздействия излучения.
Величина поглощенной дозы ионизирующего излучения в беспилотных космических аппаратах может составлять от нескольких тысяч Рад до нескольких сотен тысяч Рад. Как правило, предполагаемый срок жизни большинства таких аппаратов должен составлять не менее десяти лет, что соответственно заставляет прогнозировать высокую степень накопления дозы облучения. Однако мощность дозы (скорость ее приращения) в таких применениях относительно невелика.
Ионизирующее излучение может состоять из электронов или тяжелых элементарных частиц — таких, как протоны или нейтроны. Состав воздействующего на электронные узлы излучения будет зависеть от конкретной орбиты космического аппарата, а также от степени экранирования этих узлов от окружающего пространства. Экранирование хорошо защищает от воздействия электронов, но значительно хуже – от воздействия тяжелых элементарных частиц.
Степень воздействия на электронику отдельных элементарных частиц высоких энергий SEU будет зависеть от энергии этих частиц, которая измеряется в МэВ/мг-см2. Необходимо отметить, что частицы с высокими энергиями регистрируются значительно реже, чем низкоэнергетические частицы.

10.2 Пилотируемые космические аппараты

Летальная доза облучения для человека составляет всего несколько сотен Рад, поэтому к пилотируемым космическим аппаратам предъявляются гораздо более низкие требования по дозе облучения – обычно не более нескольких кРад. В то же время значительная часть поглощенной дозы может быть обусловлена тяжелыми элементарными частицами, поэтому очень важно учитывать эффект SEU.

10.3 Ядерное оружие

В наземных применениях необходимость анализа влияния радиации связана с использованием ядерных боеприпасов. В подобных случаях общая поглощенная доза относительно невелика по сравнению с космическими применениями, однако скорость накопления этой дозы во много раз выше. Кроме того, при ядерном взрыве наблюдается воздействие рентгеновских лучей и плотного высокоскоростного потока нейтронов.
По сравнению с облучением, характерным для космических применений, воздействие радиации при ядерном взрыве является гораздо более кратковременным, но ядерный эффект приводит к возникновению фототоков в активных компонентах, которые на короткое время нештатным образом активируют электронные устройства.

10.4 Накопление поглощенной дозы облучения

Накопление поглощенной дозы является причиной кумулятивного повреждения электронных компонентов. Такое повреждение может вызывать изменение параметров компонента. Разнотипные компоненты имеют различную степень восприимчивости к радиационным повреждениям. Пассивные компоненты – резисторы, конденсаторы, индуктивности и трансформаторы — являются относительно невосприимчивыми. Активные компоненты — такие, как выпрямительные диоды, полевые транзисторы с p-n переходом и стабилитроны – не являются относительно восприимчивыми. Такие активные компоненты, как оптопары, интегральные микросхемы, обогащенные полевые транзисторы и биполярные транзисторы, в зависимости от их конструкции могут быть или не быть подвержены изменению параметров под действием дозы облучения.
Для разработки DC/DC конвертера, который сохранит требуемые параметры после накопления определенной дозы облучения, требуется определенный опыт в выборе компонентов и владение методами преодоления ограничений, свойственных известным компонентам.
Накопленная доза облучения делится на две основные категории – полученная от облучения гамма-лучами (электронами), и полученная от облучения более тяжелыми частицами (протонами). До недавнего времени в кругах разработчиков силовой электроники оставались малоизвестными следующие факты:
а) степень параметрической деградации конкретных компонентов зависит от состава излучения – электронное или протонное;
б) определенные околоземные орбиты подвержены значительному протонному облучению.
Впервые эти сведения стали широко известны после анализа причин отказов дискретных (не гибридных) оптопар. Было обнаружено, что под действием протонного облучения оптопары частично подвергаются параметрической деградации. Кроме того, выяснилось, что активные компоненты других типов также гораздо сильнее подвержены влиянию протонного облучения, чем это предполагалось ранее. Однако, на большинство типов биполярных интегральных микросхем, которые широко используются при разработке DC/DC конвертеров, протонное облучение не оказывает большего влияния, чем гамма-излучение.
В беспилотных космических аппаратах поглощенная доза облучения прирастает относительно медленно, но на протяжении многих лет. Поскольку с практической точки зрения невозможно проводить радиационные тесты электроники в течение нескольких лет, испытания выполняются в течение одного — двух дней при повышенной мощности дозы облучения. Лишь недавно выяснилось, что, вопреки логике, при низкой мощности дозы облучения деградация параметров происходит сильнее, чем при высокой мощности. При высоких значениях мощности дозы наблюдается явление «выжигания», или самоизоляции вызванных излучением повреждений, тогда как при низких значениях мощности происходит только накопление повреждений. Поэтому при выборе применяемых компонентов необходимо учитывать возможное изменение их параметров при низких значениях мощности (скорости нарастания) дозы облучения.
Экранирование помогает снизить величину поглощенной дозы, поэтому в большинстве космических аппаратов применяются радиационные экраны, которые обычно расположены вне области размещения DC/DC конвертера. Экраны гораздо более эффективно защищают от облучения электронами и элементарными частицами низких энергий, чем от облучения протонами. Увеличение степени экранирования сверх определенных пределов снижает его эффективность из-за возрастания интенсивности вторичного излучения. Вторичное излучение возникает в материале экрана в результате соударения элементарных частиц первичного ионизирующего излучения с атомами экранирующего материала. При определенных условиях интенсивность вторичного излучения может превышать интенсивность первичного.

10.5 Эффект одиночного события (SEE)

Эффектом одиночного события SEE (Single Event Effect) называется нарушение логики работы или повреждение, наносимое электронному прибору из-за единичного воздействия энергетической элементарной частицы. Вероятность таких событий обратно пропорциональна энергии частиц, т.е. частицы с высокими энергиями появляются гораздо реже, чем с низкими.
Обычно в результате одиночного события в полупроводниковом приборе в течение наносекундного или субнаносекундного интервала времени возникает нежелательная паразитная проводимость. По окончании такого одиночного воздействия прибор может либо восстановиться в свое первоначальное состояние, либо защелкнуться в каком-либо нежелательном состоянии. В последнем случае это может привести к нештатной активации каких-либо узлов.
На определенные типы полупроводников, например, на приборы CMOS (КМОП), эффект одиночного события влияет сильнее, чем на другие — такие, как приборы с изоляцией p-n переходами. Поэтому при разработке устойчивых к воздействию радиации DC/DC конвертеров компания MDI не применяет CMOS и BiCMOS интегральных микросхем, а использует лишь биполярные микросхемы.
Кроме того, применяемые схемотехнические решения могут также серьезно повлиять на степень восприимчивости электронных узлов к одиночным событиям. Например, полумостовой (или мостовой) выпрямительный каскад содержит по одному (или по два) ключевых транзистора в каждой шине питания. В любой момент должен быть открыт только один из транзисторов. Эффект одиночного события способен открыть тот транзистор, который в данный момент должен быть заперт, что приведет к короткому замыканию. И если для такого тока короткого замыкания не было предусмотрено никакого ограничения с помощью пассивных компонентов, то данное одиночное событие приведет к повреждению и отказу обоих транзисторов.
Цепи управления под действием одиночных событий также могут приводить к возникновению проблем. К примеру, в оригинальных конвертерах компании MDI применяется схема циклического ограничения тока, в которой используется микросхема компаратора LM139. Данная схема отключает конвертер при обнаружении перегрузки по току на выходе конвертера, и автоматически включает его снова при исчезновении режима короткого замыкания. Если в LM139 попадет частица, вызывающая одиночное событие, компаратор мгновенно переключится в другое состояние. Поскольку по окончании одиночного события компаратор должен вернуться в исходное состояние, это событие не вызывало бы никаких проблем, если бы внешняя триггерная схема не опознавала изменение состояния компаратора, как сигнал о наличии перегрузки по току, и не включала бы режим ограничения тока. Компания MDI устраняет это нежелательное явление путем введения интегрирующей RC — цепочки, которая позволяет игнорировать очень короткие импульсы, вызванные одиночными событиями и, соответственно, пропускать широкие импульсы, вызванные реальной перегрузкой по току. Накопленный на конденсаторе RC — цепочки заряд позволяет сохранять информацию о реальном состоянии схемы и обеспечивает восстановление ее состояния после окончания одиночного воздействия.
Этот пример показывает, что грамотные схемотехнические решения позволяют безболезненно применять компоненты, восприимчивые к эффекту одиночного события.

10.6 Влияние потока нейтронов

Влияние потока нейтронов имеет смысл рассматривать для случаев, когда DC/DC конвертеры должны сохранять работоспособность в непосредственной близости от эпицентра ядерного взрыва. Эффекты, вызываемые влиянием потока нейтронов на земле, подобны тем, которые вызывает воздействие протонного облучения в космосе.
Известно, что особенно чувствительными к воздействию потока нейтронов являются оптроны, которые обычно используются в DC/DC конвертерах. Как правило, под действием нейтронов в наибольшей степени деградирует светодиодная часть оптрона. В оптронах применяются различные типы светодиодов и некоторые из них намного более устойчивы к воздействию потока нейтронов, чем широко распространенные GaAs светодиоды.
Однако наилучшим решением этой проблемы будет являться полный отказ от применения оптронов. Оптроны позволяют передавать сигналы между двумя частями схемы с изолированными друг от друга общими шинами. В DC/DC конвертере с помощью оптрона по петле обратной связи в контуре регулирования передается сигнал рассогласования (ошибки). Но такую петлю обратной связи можно реализовать иначе — передавая сигнал рассогласования через трансформатор. Применение трансформатора вместо оптрона заложено в основу конвертеров модели 5000 Proton Rad Hard.
Для конвертеров моделей 5000, 7000, 8000 и 9000 в исполнениях R, RE, S, SE номинальное допустимое значение накопленной поглощенной дозы составляет 100 кРад, а допустимая величина SEE — 37 МэВ-нг/см2. Предельно допустимые значения этих параметров равны соответственно 200 кРад и 82 МэВ-нг/см2.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию космических станций, для конвертеров номиналом 120 В в исполнениях R, RE, S, SE номинальное допустимое значение накопленной поглощенной дозы составляет 25 кРад, а допустимая величина SEE — 37 МэВ-нг/см2.