Simulation test study of single event transient effect for high speed PWM with pulse laser

卫星电源子系统的在轨故障表明，电源系统的脉宽调制器（Pulse Width Modulators，PWM）在空间飞行期间出现了严重的单粒子效应（Single Event Effect，SEE）。近年来，NASA、ESA针对PWM的单粒子效应敏感性利用重离子试验开展了大量的研究工作，以确认PWM单粒子效应的诱发原因及机理^[1-3]，研究结果表明重离子诱发软错误的LET阈值为10 MeV/mg/cm²，软错误截面约为1E-3 cm²。发生单粒子锁定的LET阈值为64.8 MeV/(mg·cm²)。但由于PWM控制器内部设计的固有反馈回路，以及重离子试验中束流的多离子同时辐照特性，很难明确地指出PWM单粒子效应发生的具体位置^{[4, 5]}。脉冲激光因其易控制、操作简便等优点成为电子器件单粒子效应研究的一种新方法、新手段，尤其在研究电子器件单粒子瞬态（Single Event Transient，SET）效应方面优势更加明显^[6-7]。近年来，以UC1825A为代表的高工作频率脉宽调制器成为国外研究的热点，尤其是NASA连续多年对其的单粒子效应进行了持续跟踪研究。因此，文中针对卫星电源系统常用的高速脉宽调制器（UC1825A），利用脉冲激光进行了单粒子瞬态敏感性及防护设计验证试验研究，定性分析了高速脉宽调制器件的单粒子效应敏感区域，确定了UC1825A发生单粒子瞬态效应的能量阈值，并从电路设计级验证了单粒子瞬态效应防护措施的合理性。

激光器产生波长为1 064 nm的激光，脉宽为25 ps。经聚焦单元聚焦后，辐照在被测器件（Device Under Test，DUT）的激光光斑直径为2.5 μm。脉冲激光试验设备如图1所示。

Figure 1.  Pulse laser test facility

试验器件为星用电源模块上用的高速脉宽调制器（TI PWM UC1825A），其测试电路如图2所示。

Figure 2.  Test schematic diagram of PWM UC1825A

试验中被检测参数如表1所示。

由于脉冲激光在介质中的射程很短，DUT的晶圆外层是塑封材料，且晶圆正面覆有金属导线层，脉冲激光无法穿透这些介质层而到达内部有源区，因此试验前对样品进行了开盖处理^[8]。

试验中，利用设计的测试系统，实时动态检测被测UC1825A芯片的电源引脚、PWM时钟输出引起的信号。UC1825A芯片的内部原理框图如图3所示。

Figure 3.  Schematic diagram of PWM UC1825A

通过其原理框图可以发现，在UC1825A芯片内部，存在RESTART DELAY LATCH锁存器，此锁存器为自动重启延迟锁存器，为数字逻辑电路，其作用体现在软启动过程中，在采样软启动SS端电容电压进行置位或复位，当SS端电容超过5 V时，如果FAULT LATCH锁存器存在Q端高电平跳变，则RESTART DELAY LATCH锁存器输出置位，内部恒流源以250 μA电流对SS端电容进行放电；当SS端电容电压低于0.2 V时，内部复位电路会使FAULT LATCH锁存器的Q´端输出高电平跳变，此时，RESTART DELAY LATCH锁存器会复位，内部恒流源以9 μA电流对SS端电容进行充电。

当电源完成软启动正常工作时，其SS端电容电压为高于5 V的电压，此时，如果FAULT LATCH锁存器的Q´端输出高电平跳变，则SS端电容将从5 V电压进行放电至0.2 V后充电，完成重启动工作。根据芯片的设计，FAULT LATCH锁存器Q端输出跳高的原因是9引脚ILIM端电压跳高超过1.2 V，此时发生过流保护，导致电源进行软启动工作。

在设计中，软启动电容为100 nF，软启动时间为55 ms，由于电源芯片UC1825A的供电采用变换器输出自持供电，所以软启动SS端电容放电重启会导致芯片的自持供电低于芯片的欠压保护阈值，导致电源整机关机。

由于器件正面覆盖金属层，激光无法直接穿透金属层，导致正面辐照时激光很难到达有源区，无法有效触发单粒子效应。图4所示为激光从器件衬底入射（背面辐照）方法的示意图，可使激光穿透器件背面的硅衬底而到达器件内部有源区^[9-10]。

Figure 4.  Adjustment diagram of laser focus plane

在脉冲激光单粒子效应背辐照试实验中，一般使激光聚焦在被测器件衬底表面，但由于硅材料的折射作用，激光经过衬底到达器件有源区时束斑面积将显著增大。束斑尺寸可由下式计算：

式中：ω_z为到达器件有源区后的束斑半径；ω₀为入射激光束斑半径；z为激光传播距离，即衬底厚度；n为硅的折射率，取3.51；z₀为共焦长度；λ为激光波长。文中实验所用脉冲激光波长为1 064 nm，光斑直径2.5 μm，待测芯片衬底经减薄后剩余约100 μm，通过计算可得到达有源区的束斑半径约为4.6 μm。束斑尺寸的增大将显著降低脉冲激光沉积在器件敏感节点的能量，因此，试验中通过提高待测器件衬底表面在z轴上的位置，使脉冲激光经过衬底折射后再聚焦于被测器件的有源区，如图4所示。

脉宽调制器单粒子效应失效模式主要包括输出频率异常和输出占空比异常。发生输出频率异常的主要原因有：(1) 单个高能粒子入射到脉宽调制器的参考电压模块，引起参考电压发生波动，使得输出脉冲出现长时间的丢失；(2) 单个高能粒子入射到脉宽调制器的软启动模块，其电容发生异常充电，导致脉宽调制器的输出脉冲发生长时间的丢失。发生输出占空比异常的主要原因有：(1) 单个高能粒子入射到脉宽调制器输出信号的组合电路和锁存电路，导致占空比发生异常；(2) 单个高能粒子入射到脉宽调制器的时钟电路，导致时钟频率发生异常，进而影响占空比^[11-13]。

单粒子效应评估表征是对器件敏感性的评价，单粒子效应截面是表征器件单粒子敏感性的主要参数。对于脉冲激光单粒子效应模拟试验来说，获取效应截面与脉冲激光能量之间的关系是模拟试验的关键。效应截面的计算公式如下：

式中：σ为效应截面；N为单粒子效应错误数；N_{pulse laser}为脉冲激光入射总次数。

选取不同能量的脉冲激光进行单粒子效应辐照试验，并计算相应的效应截面，之后一脉冲激光能量为横坐标，效应截面为纵坐标，即可得到效应截面与脉冲激光能量之间的相互关系。

试验中，通过实时监测器件输出端口的信号变化，判断是否发生单粒子瞬态；同时检测器件电源端的电流变化情况，判断是否发生单粒子锁定现象。针对诱发单粒子效应的脉冲激光能量，试验中采用能量逐渐逼近的方法（逐渐升高或降低辐照脉冲激光能量），确定发生单粒子瞬态的能量阈值。试验中实时监测UC1825A的脉宽输出以及VCC。激光能量0.1、0.3、0.5、1.0 nJ，输出脉冲的变化如图5所示，每个图中的输出信号从上至下依次是Vcc、SS、Aout、Bout。试验中发现，当激光能量小于0.3 nJ时，没有出现丢失输出脉冲的现象；当能量为0.3 nJ时，输出端出现脉冲丢失，且VCC出现瞬态变化，如图5所示。当能量大于0.3 nJ时，输出瞬态变化的幅值也随之增大，以此确定激光辐照被测PWM UC1825A而诱发单粒子瞬态的阈值能量为0.3 nJ。

Figure 5.  Output pulse change of different pulse laser energies

从图中可以看出，随着脉冲激光能量的增大，单粒子瞬态脉冲的幅值也随之增大，且当出现单粒子瞬态效应时，还伴随着出现了电源模块关机的现象。

确定能量阈值后，设定能量为0.3 nJ，激光束采用逐步扫描的方法对被测器件的整个被辐照面进行扫描以确定敏感区域。试验中设定的激光移动步长5 μm，移动速度50 μm/s。被测PWM控制器敏感区域如图6所示。

Figure 6.  Sensitive area of single event effects for PWM UC1825A

当激光能量小于0.3 nJ时，PWM输出信号没有波动，而激光能量大于0.3 nJ时，则出现了输出信号波动，如图中所标记的区域为单粒子效应敏感区域。试验中发现，没有发生单粒子锁定现象，这是由于在电路设计中增加了过电流保护电路的缘故。

ESA利用重离子针对UC1825A PWM研究了单粒子瞬态效应，分析了PWM的瞬态脉冲和输出信号的变化^[14]，如图7所示。

Figure 7.  Single event transient and output singal for PWM UC1825A

从图中可以看出，在发生单粒子瞬态后，PWM输出脉冲出现了丢失现象。这与脉冲激光模拟试验的现象相吻合。

在进行单粒子效应试验时发现，FAULT LATCH锁存器与RESTART DELAY LATCH锁存器存在单粒子瞬变现象，导致SS端（软启动端）电容发生放电重启现象，由于设计SS端电容的目的是进行电源变换器的软启动，抑制开机浪涌电流，此电容值无法改变。为了改变采用UC1825A电源电路抗单粒子瞬变的能力，又不影响电源开机过程的软启动，提出采用SS端电容串联电阻减小FAULT LATCH锁存器与RESTART DELAY LATCH锁存器在发生单粒子瞬变导致软起动时间过长电源关机问题。由于SS端充电电流为9 μA，放电电流为250 μA，因此，当发生单粒子瞬变时，通过串联电阻使放电电流在电阻上形成5 V电压，根据放电电流，串联电阻值为5 V/0.25 mA=20 kΩ，当FAULT LATCH锁存器与RESTART DELAY LATCH锁存器发生单粒子瞬变时，SS端电容放电，此时，SS端串联电阻上产生5 V电压，SS端电压低于0.2 V，软启动电路进入给SS端充电阶段，从而导致电源输出中断由55 ms减小到一个开关周期（开关频率为100 kΩ，开关周期为10 μs），此时电源将不会发生由于供电电压欠压引起关机的问题。

试验中激光能量1 nJ，串联电阻分别为0、15、20、22、39、51 kΩ时，PWM的信号输出变化如图8所示^[15]。

Figure 8.  Output pulse change for soft start(SS) port with different series resistors

从图8中可以看出，串联电阻小于20 kΩ时，PWM的输出端出现信号丢失，同时伴随着出现关机现象。随着串联电阻逐渐增大，PWM输出端丢失的信号个数越来越少，且不再出现关机，输出信号在短暂的丢失数据后会继续正常输出。

利用脉冲激光试验系统对星用电源系统的脉宽调制控制器UC1825A进行了单粒子瞬态效应试验研究。试验结果表明，诱发脉宽调制控制器UC1825A出现单粒子瞬态效应的激光能量阈值为0.3 nJ（对于LET值约为5.4 MeV//(mg·cm²)）。同时，通过试验分析限流电阻对电路和单粒子瞬态脉宽的影响发现，在软启动端串联20 kΩ电阻时，既没有改变电源的软启动特性，又减小了电源在UC1825A发生单粒子瞬变电源输出中断时间，使电源不再发生关机问题。