张倩倩，朱博威，马 涛，赵 闯，王 儒

（1.北京卫星制造厂有限公司，北京100190；2.北京市空间电源变换与控制工程技术研究中心，北京100080）

0 引言

单粒子效应是指空间高能带电粒子入射到与数据或指令相关的微电子器件或电路，使之产生逻辑错误、功能异常乃至器件烧毁的现象[1-2]。宇航电源[3]上使用了大量的微电子器件和集成电路，这些器件和电路能否正常工作[4-5]决定宇航电源是否安全可靠，而电源故障有可能对航天器造成致命的影响[6-8]。

目前，星上载荷对供电电源提出越来越高的要求，如铷钟、相机等要求供电电源在工作时不能出现瞬态掉电现象，而近年来发生了数起由于器件单粒子效应导致载荷供电出现瞬态掉电的故障。已知宇航电源控制电路中的脉宽调制器（PWM）是单粒子效应敏感器件，目前国内常用的PWM型号有UC1825AL 和UC1825L，而器件手册中未对这2款器件的抗单粒子效应能力进行说明。国外学者对不同型号的PWM 开展了单粒子效应试验研究，结果表明，单粒子效应会导致PWM 的输出占空比和频率发生改变[9]；从PWM在宇航电源中的应用机理分析，这2个参数的改变会直接影响电源模块的正常工作。但目前国内外关于PWM 单粒子效应对宇航电源性能影响的研究文献均较少。

本文搭建了基于上述2款PWM 器件的宇航电源验证系统，利用重离子辐照试验对宇航电源PWM器件的抗单粒子效应能力进行研究，包括对PWM的输出占空比异常测试、频率异常测试以及对电源关键性能指标——输出电压异常的测试；并对应用在电源模块控制电路中的2款PWM 发生单粒子效应后对宇航电源性能的影响机理进行分析，以期为宇航电源控制芯片的选用提供参考。

1 试验器件及测试系统

1.1 试验器件

本研究选用的试验器件分别为TI 公司的UC1825L 和UC1825AL，其中，UC1825L是一款高速PWM，实际工作频率可达1 MHz，可同时实现电压环和电流环控制模式；UC1825AL 是UC1825L的改进版，在过流保护功能上进行了改进，短路保护热耗较小[10-11]。

1.2 试验测试系统

本次试验共有2套电源模块试验装置，分别针对上述2款器件进行测试。试验装置采用双管正激拓扑结构，主路输出电压为19 V，其中电源模块主要由浪涌抑制电路、EMI滤波器、DC/DC变换器、滤波电路和控制电路等组成，试验器件（UC1825L和UC1825AL）位于电源模块的控制电路中。电源模块功能框图如图1所示。

图1 电源模块功能框图Fig.1 Functional diagram of the power supply unit

器件测试用重离子辐照试验测试系统如图2所示，主要由试验装置、程控电源以及远程监控设备等组成。辐照束流源为回旋加速器HIRFL，粒子种类为Ta 离子（LET 值为79.24 MeV·cm2/mg）和Al 离子（LET值为8.4 MeV·cm2/mg），其中，Ta 离子能量为1 602.6 MeV，射程为94.15μm，注量率为4×103～1.6×104cm-2·s-1，总注量在3×106～107cm-2，该参数由重离子实验室根据实际情况确定。

图2 重离子辐照试验测试系统Fig.2 The heavy ion irradiation test system

2 重离子辐照试验测试方法及测试结果

2.1 测试方法

先分别将顶端开帽的UC1825L 和UC1825AL芯片分别焊接在2套试验电源模块控制电路中，并检测芯片功能；然后将电源模块固定在三维定位平台上，配合聚焦系统调整好芯片位置；电源模块供电工作，远程监控电源输出的示波器波形，重离子辐照至注量累积到107cm-2；试验器件发生单粒子效应后，停止重离子辐照，但保持继续供电，观测芯片输出波形是否正常。

2.2 测试结果

采用Al离子辐照UC1825AL 后，器件发生了功能中断，电源模块输出电压由19 V 跌至50%以下，PWM输出占空比出现了数十个周期丢失，频率也出现异常，如图3所示。图中，通道1为19 V 输出电压波形，通道2为控制芯片输出PWM 波形，通道3为SS缓启脚波形。试验结果表明：PWM的输出占空比异常和频率异常导致了电源模块输出电压异常；停止重离子辐照后，PWM 输出脉冲恢复正常，电源模块输出电压恢复正常，说明PWM单粒子效应引起的电源模块异常可随着离子束注入的停止而消失。

采用Ta 离子辐照UC1825L 后，器件未发生功能中断，电源模块输出电压无明显变化，如图4所示，表明UC1825L的抗单粒子效应能力优于UC1825AL。

图3 UC1825AL 的单粒子效应波形Fig.3 Waveform illustrating single event effect on UC1825AL

图4 UC1825L 的单粒子效应波形Fig.4 Waveform illustrating single event effect on UC1825L

3 PWM 单粒子效应机理分析

宇航电源模块控制电路所使用UC1825AL 和UC1825L 芯片的内部结构框图分别如图5和图6所示。电路包括基准源、频率源、运算放大器、锁存器等，输出PWM为图腾柱输出，峰值电流达1.0 A。该控制器能够提供欠压锁定（8.4 V）、电流检测和缓启动等功能[12-13]。电源开关管工作频率设计为200 kHz 左右。

芯片电路中的SS（soft start）脚为缓启引脚，通过外接电容C实现电源模块的缓启动。该缓启电路可以减小启动瞬间启动电流对输入电容、滤波电感和输出储能电容等元器件的电应力冲击。控制芯片加电后，内部电路对缓启电容C充电，UC1825AL充电电流为14μA，UC1825L 充电电流为9μA；SS引脚电压缓慢上升，当电压高于1.2 V 时，PWM开始输出，并随着SS端电压的上升逐渐变宽，输出电压从0 V 开始建立到额定值；SS端电压上升到1.6 V 左右电源完成启动，之后SS端电压继续上升到5 V 保持不变，电路进入稳态工作。

图5 UC1825AL 内部结构框图Fig.5 Schematic diagram of internal structure of UC1825AL

图6 UC1825L 内部结构框图Fig.6 Block diagram of internal structureof UC1825L

当高能粒子轰击UC1825AL中的重启延时锁存器（图5中以红色方框及字母A 标注）和Fault 锁存器时，将导致锁存器输出翻转，PWM无输出，电源掉电；同时SS端通过内部电路放电，放电电流为250μA，如图7所示。当电压低于0.2 V 时，PWM 的SS端开始二次充电，电源模块进入缓启动过程；当SS端电压达到1.2 V 时，PWM开始输出，并随着SS端电压的上升逐渐变宽，输出电压从0 V 开始建立到额定值，电源完成重新启动[14-15]。由于电源设计中采用控制电路独立供电方式，所以开机后只要母线电压正常，PWM 的供电电压就始终存在，电源重启后输出电压正常建立。

单粒子翻转（SEU）是指单个高能粒子射入半导体器件敏感区，使器件逻辑状态翻转的现象，即原来的“0”变为“1”，或者“1”变为“0”，从而导致系统功能紊乱。上述UC1825AL 内部结构框图分析结果表明，PWM的输出占空比异常和频率异常是由于芯片内部锁存器发生单粒子翻转效应引起的，从而可以确定重离子辐照试验时UC1825AL 发生了单粒子翻转效应。

图7 UC1825AL的缓启和故障脉冲波形Fig.7 Soft start and fault pulse waveform of UC1825AL

本研究的试验测试系统中，电源模块中UC1825AL 的SS端外接电容C的容值C=0.363μF（偏差±10%），由UC1825AL 的内部结构框图（图5）可推演出该电容的充放电等效电路（如图8所示）。电容通过芯片内部自带的250μA 恒流源进行放电，根据I=C×dV/dt，PWM的SS端电压在250μA放电电流下由5 V 下降至0.2 V 需要的时间t=C×ΔV/Ia=7 ms；PWM复位后SS端通过芯片内部自带的14μA 恒流源二次充电，SS端电压上升至1.2 V后PWM输出脉冲恢复，继续上升至1.6 V 左右电源完成启动，电压从0.2 V 上升至1.6 V 所需的时间t=C×ΔV/Ib=36.3 ms；考虑外接电容的偏差，整个充电过程大概持续38.9～47.6 ms。也就是说，如果UC1825AL 发生单粒子效应，考虑输出电容的储能作用，脉冲消失后输出电压缓慢降为0 V（用时约1～2 ms），即电源模块可能会出现约40～50 ms输出电压下跌的情况。

图8 SS脚缓启电容充放电等效电路Fig.8 Charging and discharging circuit of the capacitor in soft start pin

当高能粒子轰击UC1825AL中的其他锁存器以及运算放大器时，器件输出状态发生翻转，PWM信号丢失，但不会触发UC1825AL 复位重启[16]。一般锁存器和运算放大器的单粒子效应持续时间为2μs左右，按开关频率200 kHz 计算，PWM信号丢失1个脉冲，电源模块输出电容为100μF，负载电路按1 A 计算，则输出电压下降幅值为ΔV=I×t/C=0.05 V，不会影响电源模块的正常供电。

对比图5和图6可以发现，UC1825L中没有上述导致UC1825AL 在发生单粒子效应时触发芯片复位重启的2个锁存器，因此不会出现功能中断影响电源模块正常供电的现象，这也是UC1825L 在重离子辐照试验中表现优于UC1825AL 的原因。同时，从上述分析可知，UC1825AL发生单粒子效应导致电源模块出现供电异常的持续时间与缓启脚SS外接电容的容值C有关——C越大，掉电时间越长。因此，在宇航应用时，为了降低PWM单粒子效应对电源模块的影响，应在满足性能指标要求的情况下，尽量减小C的取值。另外，为了使UC1825AL发生单粒子效应时电容C的放电速率尽量缓慢，以降低其对电源供电性能的影响，可以在减小电容C容值的同时，额外增加阻容串联电路，解决电源模块由于单粒子效应而掉电的现象。

4 结束语

利用回旋加速器HIRFL对控制芯片UC1825L和UC1825AL 进行的重离子辐照试验表明：在采用不同LET值的重离子辐照时，由于芯片内部电路结构的差异，单粒子效应会导致UC1825AL的输出占空比和频率发生异常，UC1825AL发生了功能中断，而UC1825L 未出现功能中断，说明UC1825L的抗单粒子效应能力优于UC1825AL；控制芯片功能中断会对宇航电源供电的持续性产生一定影响，电源掉电时间由SS脚外接电容的容值决定。另外，虽然UC1825L 的抗单粒子效应能力更强，但考虑到其短路功耗较大，实际选用时须根据卫星载荷特性要求综合考量。