韩晓东，梁盛铭，张皓源，刘 辉，孙 明，刘 凡

（1.中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2.中国电子科技集团公司 第二十四研究所，重庆 400060）

宇航用脉宽调制器评估试验方法

韩晓东1，梁盛铭2，张皓源1，刘 辉1，孙 明1，刘 凡2

（1.中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2.中国电子科技集团公司 第二十四研究所，重庆 400060）

文章结合航天应用需求和脉宽调制器的特点，对宇航用脉宽调制器评估试验的方法和项目开展了深入研究，针对脉宽调制器在寿命前后及不同温度下的典型振荡频率的温漂，基准电压的温漂及长期稳定性，以及外接电阻、电容与振荡频率的关系等特性进行了评估。并通过试验验证了评估方法的有效性，可以为脉宽调制器的宇航应用提供全面的数据支撑和应用指导。

脉宽调制器；应用验证；评估试验；极限试验；寿命考核强化试验

0 引言

宇航元器件作为航天器的重要组成部分，其质量直接决定着航天任务的成败。而宇航元器件，尤其是关键元器件国产化的迫切需求，使得全面有效的元器件保证工作显得尤为重要[1]。

脉宽调制器（pulse-width modulation, PWM）主要实现脉冲宽度的调节功能，在宇航应用中通常与功率管、整流电路、反馈网络等组成开关电源，是开关电源的核心器件。新研制的脉宽调制器需要从器件结构、性能、系统适应性等方面开展验证工作[2]，以降低宇航应用风险。元器件评估[3]作为应用验证的关键环节，可为型号选用提供重要的试验依据，对生产单位的生产也具有重要的指导意义。

本文综合考虑宇航用脉宽调制器的特点以及评估试验的可实施性，提出了一种针对宇航用脉宽调制器的评估试验方法，并通过试验验证了该方法的有效性。

1 宇航用脉宽调制器评估试验内容

宇航用脉宽调制器评估试验的内容主要包括功能性能分析、极限试验[4]和寿命考核强化试验等。

1.1 功能性能分析

功能性能分析从航天器在轨实际应用出发，对宇航元器件的全参数进行测试，对宇航用脉宽调制器在不同温度、外接振荡电阻和电容、不同振荡频率等应力下的功能性能进行评估，绘制器件的特性曲线以及考核器件的工作寿命等，从而分析其在实际应用中的符合性。

在开关电源中，脉宽调制器控制功率管通断，为整流电路提供占空比可控的输入交流电压，经整流后使开关电源输出端获得恒定的直流电源。静态电流、基准电压、内部运放输入电压、内部运放开环增益、输出高电平、输出低电平、振荡频率、占空比是衡量脉宽调制器性能的关键参数。静态电流表征器件的功耗情况，基准电压是决定整个开关电源输出电压的精度以及限流、过流、欠压保护的阈值点，内部运放的输入电压和开环增益决定最终开关电源模块的输出电压精度及负载调整率，输出高电平和输出低电平表征电路的输出能力，振荡频率决定整个开关电源环路整流补偿设计值，占空比决定器件的最大输出功率。通过不同条件下的测试分析，可对脉宽调制器的工作状态有更深入的了解，从而预估出器件在系统应用中的表现。

1.2 极限试验

元器件应力极限是指在规定时间的应力作用条件下，满足要求的临界应力值。根据脉宽调制器的性能特性、环境应力特点、实际需求等，选取对元器件可靠性影响较大的评价内容作为极限评估的试验项目，包括电应力、温度应力、机械应力等。其中电应力极限包括电源电压极限、输入电压极限和最大驱动电流极限等；温度应力极限包括高温工作应力极限和封装热应力极限等；机械应力极限包括机械冲击极限、扫频振动极限和可焊性极限等。

1.3 寿命考核强化试验

寿命考核强化试验主要考核元器件在比鉴定检验寿命试验更长的时间及特定工作状态下，电性能、热性能的退化趋势，其电应力、热应力条件应不低于鉴定试验条件。脉宽调制器在鉴定试验基础上开展4000 h寿命考核强化试验，计算寿命前后性能参数的变化量值，每1000 h前后对基准进行三温测试，计算基准温度系数。

2 宇航用典型脉宽调制器评估试验

本文以某典型脉宽调制器为例，对脉宽调制器的评估试验方法进行全面系统的研究。

2.1 典型脉宽调制器简介

XX-PWM调制器是一款电流型脉宽调制器[5]。该PWM频率固定，采用线性双极工艺，输入电压范围12～25 V，具备欠压锁定功能，单端输出脉宽调制波形，能够驱动双极型晶体管和 MOSFET，主要应用于隔离型电源系统，实现DC/DC稳压输出功能。

该PWM主要由电压基准、运算放大器、电流比较器、RS触发器、T触发器和输出级等部分构成。通过把振荡器的放电时间转化为窄脉宽信号，再经T触发器分相来控制输出级工作，使其输出占空比为50%的方波信号。器件内部集成的运放、电流比较器和RS触发器可通过外部线路连接实现反馈控制，当运放采样到输出变高或电流检测端检测到输出电流过大，就通过RS触发器来减小输出信号占空比，反之，增大输出信号占空比。

2.2 典型脉宽调制器评估试验

根据XX-PWM调制器的特点，并结合型号的实际应用条件，规定评估试验的项目如表1所示，包括测试全面性分析、一致性分析、电应力极限、温度应力极限等项目。考虑对板级系统参数的影响，特别选取了振荡频率和基准电压参数进行不同条件下的分析评估。对于振荡频率参数而言，主要分析振荡频率的温漂、批次间一致性和寿命后温漂的变化量；对于基准电压来说，主要分析器件稳定性和温度特性，由于PWM的基准电源精度直接决定DC/DC电源输出精度，进而决定系统的检测灵敏度，所以需对PWM开展4000 h寿命试验来评估基准电压变化量，以评价器件是否满足长寿命的应用要求。

表1 XX-PWM调制器评估试验项目Table 1 The assessment test items of XX-PWM

2.2.1 振荡频率评估分析

PWM的振荡频率参数是用来描述输出波形的频率，在DC/DC转换系统中，频率会影响整流电路的电感、电容的选择，决定DC/DC直流输出的纹波频率和幅值，以及DC/DC转换器的效率等，是开关稳压器的重要参数。因此，在评估试验中需对器件的振荡频率指标进行全面分析。

对XX-PWM振荡频率进行一致性分析，25、-55、125 ℃下振荡频率的实测值分布如图1所示，可以看出该参数基本呈正态分布，参数余量较大。

在DC/DC应用中，输出纹波频率直接由振荡频率决定，考虑到后级信号系统工作频率，有时为了避开倍频影响，就需要调整PWM的振荡频率。同样，在对系统有小型化要求及整流滤波电路有体积需求时，也需要考虑调整振荡频率。因此，对不同振荡频率下的温漂和 2个晶圆批间的振荡频率一致性进行分析。在评估试验中，选取了2个批次的器件，参考用户使用的频率点，分别在52、250、500 kHz振荡频率下对其温漂进行了评估，测试结果见表2～表4。

表2 振荡频率52 kHz时频率温漂测试结果Table 2 The test results of frequency vs temperature when the oscillation frequency is 52 kHz

表3 振荡频率250 kHz时频率温漂测试结果Table 3 The test results of frequency vs temperature when the oscillation frequency is 250 kHz

表4 振荡频率500 kHz时频率温漂测试结果Table 4 The test results of frequency vs temperature when the oscillation frequency is 500 kHz

从表2～表4中可知，器件的振荡频率在52、250、500 kHz下的频率温漂均在5%以内，能够满足用户型号设计裕量要求。批次2的频率温漂与批次1相比，低频时基本相同，高频时高约1%，表明频率温漂指标的批次间一致性较好。

为了评估振荡频率的长期稳定性，对寿命前与4000 h寿命后的频率温漂进行了变化量计算，结果见表5所示。

从表5可看出，器件的频率温漂寿命前后变化量较小（±2%内），说明振荡频率参数稳定，能够适应长寿命应用。

从振荡频率的评估分析可知，该参数符合正态分布，在低、中、高频率下频率温漂较小，且参数的批次间一致性较好，长寿命试验后参数也稳定。所获取的相关数据有助于型号设计师正确选择滤波整流电路，确定输出纹波电压的频率，正确避开谐振倍频对系统的影响，以及较好地评估 DC/DC转换系统的三温特性。

表5 寿命前后振荡频率温漂变化量测试结果Table 5 The test results of frequency vs temperature before and after the life test

2.2.2 基准电压评估分析

XX-PWM包含1个5 V输出的基准电压，1个2.5 V的内置运放正相参考电压，以及1个1.0 V的电流比较器参考电压。其中5 V基准电压为电路的基准电压输出端，是器件内部所有参考电压的基准。2.5 V和1.0 V电压均是由5 V分压而来，2.5 V电压为内置运放的参考电压，运放反相端为DC/DC输出采样反馈端，通过该端口的反馈控制实现稳定的直流输出，2.5 V电压的精度直接影响输出直流电压的精度。1.0 V电压为电流比较器正相端参考电压，电流比较器的反相端通过在驱动后级增加限流电阻，能够在系统出现电流尖峰时，控制脉宽变窄，限制输出电流，保护后级功率器件不会因过热而烧毁。因此，需对器件的基准电压指标进行全面的分析。

对基准电压参数进行一致性分析，25、-55、125 ℃下基准电压参数的实测值分布如图2所示，可以看出该参数基本呈正态分布，参数余量较大。

基准电压的温漂同样是一个重要的应用指标，该参数决定DC/DC转换系统直流输出电压的温度特性，绘制器件的基准电压随温度变化曲线如图3所示，可以看出基准电压与温度呈负相关变化，器件基准电压变化全温范围约30 mV。

基准电压的长期稳定性能力直接影响 DC/DC转换系统的长寿命应用，同时器件的规范及手册中都有相应的指标要求。为进行基准电压的长期稳定性评估，对器件开展了4000 h寿命试验，每1000 h进行1次变化量测量，基准电压的变化情况如表6所示。从表6中可知，基准电压每1000 h会出现0～±6 mV的变化量，满足规范要求（0～±25 mV）。

表6 基准电压每1000 h的变化量∆Table 6 The increment of reference voltage∆for every 1000 h

2.2.3 外接电阻电容评估分析

XX-PWM的RT/CT端需外接电阻、电容才能使器件工作，从而输出锯齿波。设计师需要根据DC/DC的工作频率来设置PWM的振荡频率。因此，需给出器件外接电阻、电容与振荡频率的特性关系，以方便应用。

对器件的外接电阻、电容特性进行测试分析，绘制了4种电容取值下对应的振荡频率特性曲线，如图4所示。

从图4中可以看出，在RT＜1 kΩ时，振荡频率随电阻阻值增大而小幅度升高，RT超过1 kΩ后，振荡频率随电阻阻值增大而线性下降。虽然器件最高频率超过了1 MHz，但是由于内部运放的带宽只有 1.3 MHz左右，导致在高频下电压增益急剧降低，使得调整效率不理想，因此建议器件在1 MHz内应用。

2.2.4 极限试验评估分析

在试验过程中对XX-PWM的电应力、温度应力和机械应力极限特性进行了分析，以下给出试验方法和结论。

2.2.4.1 电应力试验

1）在25 V电源电压基础上，每步增加1 V，停留1 min后，对器件进行测试，不满足规范或有失效时停止试验。通过试验得到器件的最大工作电压约为37 V。

2）起始电压为0 V，每步增加0.5 V，停留1 min后，对器件进行测试，不满足规范或有失效时停止试验。通过试验得到器件的输入端耐压极限为9.5 V。

3）在温度为-55、25、125 ℃下，输出为高（低）电平时，使器件输出保持空载，然后让输出端拉出（吸入）电流，步进50 mA，此时测试输出电平，不满足规范时停止试验。通过试验得到吸入电流极限为300 mA，输出电流极限为550 mA。

2.2.4.2 温度应力试验

1）起始温度125 ℃，每步增加25 ℃，对器件的电源电流进行在线监测，在此环境下工作 168 h后，取出器件恢复到常温，冷却1 h后进行测试，直至50%器件出现失效终止试验。通过试验得到器件的高温工作极限温度为175 ℃。

2）对器件进行温度循环试验、热冲击试验、密封试验以及电参数测试，器件通过了温度循环200次、热冲击100次及密封试验。

2.2.4.3 机械应力试验

1）对器件进行机械冲击试验、扫频振动试验、密封试验以及电参数测试，器件通过了机械冲击50次、扫频振动120次及密封试验。

2）对器件进行焊温承载力试验、密封试验以及电参数测试，焊温承载力试验满足300 ℃下耐焊10 s，且循环5次的要求。

3 结束语

本文提出了一种适用于宇航用脉宽调制器的评估试验方法，并对典型脉宽调制器进行了试验验证，证明了该方法的有效性。通过相关的评估试验，较为全面和系统地给出了典型脉宽调制器的性能、可靠性以及应用边界等。

（References）

[1]田智文, 刘文宝, 刘富品.国外宇航元器件保证工作概况[J].质量与可靠性, 2013(4): 42-45

[2]江理东, 郭鹏, 张延伟, 等.宇航元器件应用验证系统工程研究[J].航天器工程, 2012, 21(3): 124-129 JIANG L D, GUO P, ZHANG Y W, et al.System engineering study on application validation for space components[J].Spacecraft Engineering, 2012, 21(3): 124-129

[3]韩晓东, 蒲瑞民, 宁永成, 等.宇航用数字信号处理器评估试验方法研究[J].电子产品可靠性与环境试验, 2013, 32(增刊1): 19-23 HAN X D, PU R M, NING Y C, et al.Research on the method of assessment test for digital signal processor used in space[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2013, 32(sup 1): 19-23

[4]张洪伟, 夏泓, 江理东, 等.宇航元器件极限评估技术研究[J].电子元件与材料, 2011, 30(11): 72-76 ZHANG H W, XIA H, JIANG L D, et al.Research of aerospace components limit assessing technology[J].Electronic Components & Materials, 2011, 30(11): 72-76

[5]张志平.电流型脉宽调制器的研究[D].西安: 西安电子科技大学, 2006: 1-40

（编辑：张艳艳）

Test evaluation of pulse-width modulators for aerospace applications

HAN Xiaodong1, LIANG Shengming2, ZHANG Haoyuan1, LIU Hui1, SUN Ming1, LIU Fan2
(1.China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100094, China; 2.Sichuan Institute of Solid-State Circuits, China Electronics Technology Group Corp, Chongqing 400060, China)

Based on the aerospace application requirements and the characteristics of the pulse-width modulators, this paper investigates the content and the methods of the assessment tests for the pulse-width modulator for aerospace applications.Some key indexes or characteristics are evaluated, such as the temperature drift of the typical oscillation frequency before and after the life test, the temperature drift and the long-term stability of the reference voltage, and the swing of the oscillation frequency at different external oscillation resistances and capacitances.These are validated by the evaluation tests.The results can provide comprehensive data support and guidance for the aerospace applications of the pulse-width modulation.

pulse-width modulator; application validation; assessment test; limiting test; life assessment strengthen test

V448.15;TN432

：A

：1673-1379(2017)01-0091-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.015

韩晓东（1988—），男，硕士学位，从事宇航元器件质量保证和应用验证工作。E-mail: hxd123456789055854@163.com。

2016-04-12；

：2017-01-10

韩晓东,梁盛铭,张皓源,等.宇航用脉宽调制器评估试验方法[J].航天器环境工程, 2017, 34(1): 91-97

HAN X D, LIANG S M, ZHANG H Y, et al.Test evaluation of pulse-width modulators for aerospace application[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 91-97