CN105759198B - 一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，方法包括：对样品的各功能模块进行激光脉冲的遍历式扫描并得到各功能模块的单粒子效应失效模式和单粒子效应敏感参数以及选取各功能模块的典型入射位置、使激光脉冲以一定的入射周期入射各功能模块的典型入射位置来分析获得各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息、获取脉宽调制器的单粒子效应时间敏感特性等步骤。本发明方法在脉宽调制器功能模块划分的基础上，结合激光脉冲的可控扫描和各功能模块单粒子效应敏感参数提取来实现脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析，方法新颖，是重离子单粒子效应地面模拟试验的重要补充，为较复杂数模混合电路的单粒子效应时间敏感特性研究提供支撑。

Description

一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法

技术领域

本发明涉及一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，属于空间辐射效应及加固技术领域。

背景技术

宇宙空间中存在大量高能粒子，高能粒子穿透航天器屏蔽层进入到内部电子学系统并与系统中的半导体器件发生相互作用产生电子-空穴对，电子-空穴对被系统中的敏感电路节点收集后导致系统功能受损，影响航天器的在轨可靠运行。这种效应是单个粒子作用的结果，因此称为单粒子效应(SEE)。

脉宽调制器(PWM)主要用于航天器中的开关式电源供电系统，单粒子效应可能会引起脉宽调制器相关电参数(如基准电压、占空比、频率、相位等)的改变，导致电源模块输出电压出现过压、欠压、纹波增大等现象，造成航天器电子系统发生故障。因此，开展脉宽调制器单粒子效应特性研究对于航天器的相关器件选型及加固设计具有重要现实意义。

国内外对脉宽调制器单粒子效应特性的前期研究大多采用重离子地面模拟试验获取器件的单粒子效应截面数据，如文献“Single event effects in pulse widthmodulation controllers,IEEE Trans.Nucl.Sci.,vol.43,no.6,pp.2968-2973,Dec.1996.”，文献“The SEU in pulse width modulation controller with soft startand shutdown circuits,in Proc.IEEE Radiation Efects Data Workshop,1997,pp.73-79.”，文献“Single event effects testing of the Linfinity SG1525A pulse widthmodulator controller,in Proc.IEEE Radiation Efects Data Workshop,2003,pp.133-140.”和文献“Total Dose and single event testing of a hardened single-endedcurrent mode PWM controller,in Proc.IEEE Radiation Efects Data Workshop,2010,pp.6-12.”，这是一种比较普遍的评估器件整体抗单粒子性能的方法，但难以为器件加固提供直接的细节信息；也有部分研究者采用激光微束单粒子效应模拟实验开展脉宽调制器的单粒子效应空间敏感特性研究，获取器件单粒子效应的最敏感位置，提示设计者针对最敏感位置进行加固，如文献“Single-Event Effects Analysis of a Pulse WidthModulator IC in a DC/DC Converter,Springer Journal of Electronic Testing:Theory and Applications,vol.28,no.6,pp.877-883,Dec.2012.”。与空间敏感特性研究起着同样重要作用的还有时间敏感特性研究，其典型应用是获取器件单粒子效应敏感性随时间参数(如频率、占空比、敏感窗口等)的变化规律，进而为加固设计提供建议。由于脉宽调制器的结构较为复杂，功能模块较多，对于脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性的研究未见报道。综上所述，建立脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性的分析方法具有重要价值。

发明内容

本发明的目的是针对脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性研究开展激光微束单粒子效应实验，在脉宽调制器功能模块划分的基础上，结合激光脉冲的可控扫描和各功能模块的单粒子效应敏感参数提取，提出一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1)对样品的整体版图进行激光脉冲的遍历式扫描，获取饱和截面σ_S和饱和截面所对应的激光脉冲能量E_S；

选取初始激光脉冲能量E₀，使激光微束聚焦在样品的版图表面，对样品的整体版图进行激光脉冲的遍历式扫描，统计单粒子效应错误数N₀和激光脉冲数F₀，并计算出单粒子效应截面σ₀；继续增大激光脉冲能量直至样品的单粒子效应截面不再增大，此时激光脉冲能量为E_S，单粒子效应截面为σ_S；

2)对步骤1)样品的各功能模块进行激光脉冲的遍历式扫描，提取各功能模块的单粒子效应敏感参数，选取各功能模块的典型入射位置；

选取激光脉冲能量为E_S，针对步骤1)样品的各功能模块，分别进行激光脉冲的遍历式扫描，通过定时存取示波器波形来获取每个功能模块的单粒子效应波形，分别分析每个功能模块的波形数据得到每个功能模块的单粒子效应失效模式，提取单粒子效应敏感参数，在每个功能模块所有的激光脉冲入射位置中，均选取单粒子效应敏感参数变化明显的一个位置作为典型入射位置。

3)对步骤2)各功能模块的典型入射位置，让激光脉冲以不同时刻入射，获取各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息；

选取激光脉冲能量为E_S，针对各功能模块的典型入射位置，让激光脉冲以一定入射周期入射，通过定时存取示波器波形来获取激光脉冲在不同时刻入射所产生的单粒子效应波形，通过波形的对比分析来获取各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息；

4)归纳总结各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息，获取脉宽调制器的单粒子效应时间敏感特性。

以上为本发明实现脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析的核心方法，基于该核心方法，本发明还进一步做出以下优化限定：

上述步骤1)中激光脉冲的遍历式扫描是利用控制软件依次设置扫描区域、扫描步长s、载物台移动速度v来实现，s/v为激光脉冲入射周期；单粒子效应截面的计算采用如下公式：

σ＝N/F

其中：σ是单粒子效应截面；N是单粒子效应错误数，F为激光脉冲数。

步骤1)中激光脉冲的遍历式扫描还可以采用手动方式来实现，即通过移动鼠标改变激光脉冲的入射位置，通过按动鼠标实现激光脉冲的入射。

上述步骤2)中各功能模块划分的实现：

根据脉宽调制器的电路原理图对芯片版图进行解剖分析，获取各功能模块在版图中的相应位置，所述原理图包含各功能模块及相互之间的电学连接关系。

上述步骤2)中定时存取示波器波形的具体实现过程：

首先，设置示波器的触发方式为脉宽调制器输出信号的脉宽触发，脉宽持续时间超过设定范围即触发；

其次，通过示波器控制软件来设置定时存取示波器波形的时间间隔，时间间隔小于激光脉冲入射周期，让计算机以该固定的时间间隔读取示波器的波形并保存。

本发明所记载的定时存取示波器波形的方法能够克服常规手动存取方法耗时耗力的缺点，定时存取时间间隔可灵活设定。

上述步骤3)的具体步骤如下：

3.1)设置示波器的触发方式为脉宽调制器输出信号的脉宽触发，脉宽持续时间超过设定范围即触发；

3.2)选取激光脉冲能量为E_S，针对某功能模块的典型入射位置，让激光脉冲以一定入射周期入射，通过定时存取示波器波形来获取激光脉冲在不同时刻入射该典型位置所产生的单粒子效应波形；其中入射周期应为脉宽调制器输出信号周期的非整数倍，且应大于定时存取示波器波形的时间间隔。

3.3)数据分析

将脉宽调制器输出信号的一个周期大致分为上升沿、下降沿、高电平和低电平四个阶段，

根据单次激光脉冲入射后该功能模块的单粒子效应敏感参数的变化情况，推得激光脉冲的入射时刻处在脉宽调制器输出信号周期的具体阶段，

比较不同阶段入射后脉宽调制器输出信号的受影响程度，获取该功能模块的单粒子效应时间敏感性信息，即沿入射敏感、电平入射敏感或者无明显时间依赖关系；

3.4)按同样方法获取其它功能模块的单粒子效应时间敏感性信息。

上述步骤4)的具体步骤如下：

若存在对沿入射敏感的功能模块，改变脉宽调制器的工作频率，执行步骤1)，比较不同频率下脉宽调制器的单粒子效应截面σ_S；若存在对电平入射敏感的功能模块，改变脉宽调制器的输出信号占空比，执行步骤1)，比较不同输出信号占空比下脉宽调制器的单粒子效应截面σ_S。

步骤3.1)还可以通过下述步骤实现：针对各功能模块，将它们各自的单粒子效应敏感参数设为触发信号，根据各单粒子效应敏感参数的变化规律设定各自的触发方式，缺点是需要更换不同的触发方式。

本发明的有益技术效果：

1、该方法在脉宽调制器功能模块划分的基础上，通过各功能模块单粒子效应敏感参数提取来实现脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析，分析结果将为脉宽调制器的抗单粒子性能加固提供重要参考。

2、该方法利用激光微束单粒子效应模拟实验可控扫描的特点对单粒子效应时间敏感特性开展系统性研究，实验经济便捷，较好规避了重离子单粒子效应地面模拟试验机时紧张、费用昂贵、难以开展细节分析等缺点。

3、该方法是较复杂数模混合电路单粒子效应时间敏感特性研究的先期探索性研究，同时为重离子单粒子效应地面模拟试验获取的统计性效应信息提供重要补充，更全面细致的阐述单粒子效应形成机制。

附图说明

图1为本发明一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法的流程图；

图2为开盖后的样品示意图；

图3为测试连接示意图；

图4为样品整体版图的遍历式扫描示意图；

图5为样品的各功能模块划分示意图；

图6为某功能模块的遍历式扫描示意图；

图7中a为激光脉冲在脉宽调制器输出信号周期的上升沿入射功能模块2所产生的波形示意图；

图7中b为激光脉冲在脉宽调制器输出信号周期的高电平入射功能模块2所产生的波形示意图；

其中附图标记为：1-样品、11-管脚、12-键合丝、13-晶圆、14-封装、2-辐照板、3-载物台、4-示波器、5-激光器、6-照明设备、7-直流电源、8-测试主板、9-控制计算机。

具体实施方式

图1是本发明一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法的流程图。

该方法包括以下步骤：

S1】实验前对实验样品进行开盖处理，开盖后，对样品进行功能测试，功能测试合格的留待后续实验。开盖处理是指去除样品的顶层封装，使得样品的晶圆暴露，同时保证样品的键合丝、管脚完好并且样品功能正常，陶瓷封装样品的开盖一般采取机械方法，塑封样品的开盖一般采取化学腐蚀方法，不具备开盖能力的实验方可委托相关器件可靠性检测单位进行专业的开盖服务。图2为开盖后的样品示意图。

S2】将合格样品固定于激光微束单粒子效应模拟装置的载物台上，正确连接测试系统并加电测试，检测样品和测试系统运行是否正常。测试系统包括：辐照板、测试主板、直流电源、示波器、控制计算机及控制软件等；样品与测试系统连接时，被测信号尽量包含样品的全部管脚信号，便于后续单粒子效应敏感参数的确定。图3为测试连接示意图。

S3】在确保样品和测试系统运行正常的基础上，调节载物台的位置，确保激光微束聚焦在样品的版图表面。载物台位置的调节可通过激光微束单粒子效应模拟实验装置的控制软件来控制载物台的步进电机实现。

S4】选取初始激光脉冲能量E₀，对样品的整体版图进行激光脉冲的遍历式扫描，统计单粒子效应错误数N₀和激光脉冲数F₀，并计算出单粒子效应截面σ₀；继续增大激光脉冲能量直至样品的单粒子效应截面不再增大，此时激光脉冲能量为E_S，单粒子效应截面为σ_S。图4为样品整体版图的遍历式扫描示意图。

S5】选取激光脉冲能量为E_S，针对样品的各功能模块，分别进行激光脉冲的遍历式扫描，通过定时存取示波器波形来获取每个功能模块的单粒子效应波形，分别分析每个功能模块的波形数据得到每个功能模块的单粒子效应失效模式，提取单粒子效应敏感参数，在每个功能模块所有的激光脉冲入射位置中，均选取单粒子效应敏感参数变化明显的一个位置作为典型入射位置。单粒子效应失效模式分析和敏感参数提取的实现过程是：首先结合各功能模块的单粒子效应波形及各模块在样品整体电路功能中所发挥的作用，分析各功能模块的单粒子效应失效模式，其次根据各功能模块的单粒子效应失效模式和单粒子效应波形变化特点，从各被测信号中筛选出各功能模块的单粒子效应敏感参数，对于脉宽调制器的不同功能模块而言，单粒子效应敏感参数会有所不同。图5为样品的各功能模块划分示意图，图6为功能模块2的遍历式扫描示意图，利用激光脉冲对模块2进行遍历式扫描，分析单粒子效应波形后发现其典型特征是：除脉宽调制器的输出信号变化之外，比较器模块的输出电压出现瞬态脉冲，而其它监测信号并未发现异常。该功能模块在样品整体电路功能中所发挥的作用是通过本模块的输出电压控制脉宽调制器的输出信号。因此，确定该功能模块的单粒子效应敏感参数为比较器模块的输出电压，在该功能模块所有的激光脉冲入射位置中，选取比较器模块的输出电压变化明显的一个位置作为该功能模块的典型入射位置。其它功能模块采用类似方法获取单粒子效应敏感参数和典型入射位置。

S6】选取激光脉冲能量为E_S，针对各功能模块的典型入射位置，让激光脉冲以一定入射周期入射，通过定时存取示波器波形来获取激光脉冲在不同时刻入射所产生的单粒子效应波形，通过波形的对比分析来获取各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息。图7为激光脉冲在脉宽调制器输出信号周期的不同阶段(上升沿和高电平)入射功能模块2所产生的波形示意图，通过波形的对比分析可以看出，激光脉冲在脉宽调制器输出信号周期的上升沿入射时对输出信号的影响相对较大，因此该模块为沿入射敏感。

S7】归纳总结各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息，获取脉宽调制器的单粒子效应时间敏感特性：若存在对沿入射敏感的功能模块，改变脉宽调制器的工作频率，执行步骤S4，比较不同频率下脉宽调制器的单粒子效应截面σ_S；若存在对电平入射敏感的功能模块，改变脉宽调制器的输出信号占空比，执行步骤S4，比较不同输出信号占空比下脉宽调制器的单粒子效应截面σ_S。

Claims (7)

1.一种脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)对样品的整体版图进行激光脉冲的遍历式扫描，获取饱和截面σ_S和饱和截面所对应的激光脉冲能量E_S；

选取初始激光脉冲能量E₀，使激光微束聚焦在样品的版图表面，对样品的整体版图进行激光脉冲的遍历式扫描，统计单粒子效应错误数N₀和激光脉冲数F₀，并计算出单粒子效应截面σ₀；继续增大激光脉冲能量直至样品的单粒子效应截面不再增大，此时激光脉冲能量为E_S，单粒子效应截面为σ_S；

2)对步骤1)样品的各功能模块进行激光脉冲的遍历式扫描，提取各功能模块的单粒子效应敏感参数，选取各功能模块的典型入射位置；

选取激光脉冲能量为E_S，针对步骤1)样品的各功能模块，分别进行激光脉冲的遍历式扫描，通过定时存取示波器波形来获取每个功能模块的单粒子效应波形，分别分析每个功能模块的波形数据得到每个功能模块的单粒子效应失效模式，提取单粒子效应敏感参数，在每个功能模块所有的激光脉冲入射位置中，均选取单粒子效应敏感参数变化明显的一个位置作为典型入射位置；

3)对步骤2)各功能模块的典型入射位置，让激光脉冲以不同时刻入射，获取各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息；

选取激光脉冲能量为E_S，针对各功能模块的典型入射位置，让激光脉冲以一定入射周期入射，通过定时存取示波器波形来获取激光脉冲在不同时刻入射所产生的单粒子效应波形，通过波形的对比分析来获取各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息；

4)归纳总结各功能模块的单粒子效应时间敏感性信息，获取脉宽调制器的单粒子效应时间敏感特性。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特征在于：

所述步骤1)中激光脉冲的遍历式扫描是利用控制软件依次设置扫描区域、扫描步长s、载物台移动速度v来实现，s/v为激光脉冲入射周期；单粒子效应截面的计算采用如下公式：

σ＝N/F

其中：σ是单粒子效应截面；N是单粒子效应错误数，F为激光脉冲数。

3.根据权利要求1所述的脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特征在于：

所述步骤2)中各功能模块划分的实现：

根据脉宽调制器的电路原理图对芯片版图进行解剖分析，获取各功能模块在版图中的相应位置，所述原理图包含各功能模块及相互之间的电学连接关系。

4.根据权利要求1所述的脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特征在于：

所述步骤2)中定时存取示波器波形的具体实现过程：

首先，设置示波器的触发方式为脉宽调制器输出信号的脉宽触发，脉宽持续时间超过设定范围即触发；

其次，通过示波器控制软件来设置定时存取示波器波形的时间间隔，时间间隔小于激光脉冲入射周期，让计算机以该固定的时间间隔读取示波器的波形并保存。

5.根据权利要求1所述的脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特征在于：

所述步骤2)中单粒子效应失效模式分析和敏感参数提取的具体实现过程：

首先，结合各功能模块的单粒子效应波形及各模块在样品整体电路功能中所发挥的作用，分析各功能模块的单粒子效应失效模式；

其次，根据各功能模块的单粒子效应失效模式和单粒子效应波形变化特点，从各被测信号中筛选出各功能模块的单粒子效应敏感参数。

6.根据权利要求1所述脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特征在于：

所述步骤3)的具体步骤如下：

3.1)设置示波器的触发方式为脉宽调制器输出信号的脉宽触发，脉宽持续时间超过设定范围即触发；

3.2)选取激光脉冲能量为E_S，针对某功能模块的典型入射位置，让激光脉冲以一定入射周期入射，通过定时存取示波器波形来获取激光脉冲在不同时刻入射该典型位置所产生的单粒子效应波形；其中入射周期应为脉宽调制器输出信号周期的非整数倍，且应大于定时存取示波器波形的时间间隔；

3.3)数据分析

将脉宽调制器输出信号的一个周期大致分为上升沿、下降沿、高电平和低电平四个阶段，

根据单次激光脉冲入射后该功能模块的单粒子效应敏感参数的变化情况，推得激光脉冲的入射时刻处在脉宽调制器输出信号周期的具体阶段，

比较不同阶段入射后脉宽调制器输出信号的受影响程度，获取该功能模块的单粒子效应时间敏感性信息，即沿入射敏感、电平入射敏感或者无明显时间依赖关系；

3.4)按同样方法获取其它功能模块的单粒子效应时间敏感性信息。

7.根据权利要求1所述脉宽调制器单粒子效应时间敏感特性分析方法，其特征在于：

所述步骤4)的具体步骤如下：

若存在对沿入射敏感的功能模块，改变脉宽调制器的工作频率，执行步骤1)，比较不同频率下脉宽调制器的单粒子效应截面σ_S；若存在对电平入射敏感的功能模块，改变脉宽调制器的输出信号占空比，执行步骤1)，比较不同输出信号占空比下脉宽调制器的单粒子效应截面σ_S。