CN112100953A - 一种辐射环境下buck电路的失效仿真方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种辐射环境下BUCK电路的失效仿真方法，属于可靠性实验、建模仿真与计算技术领域。解决了迫于试验周期和经济成本等因素的制约，整个评估体系将面临电源系统组件未能完全失效、试验对象数量有限、退化数据样本较少等一系列问题。本发明通过simulink仿真出驱动SIP电路中BUCK电路在辐射环境下的失效模型，通过退化的输出电压来度量其失效的过程，为解决在辐射环境这种苛刻条件下的实验时条件不足，数据缺乏等问题提供了更多的可行性和操作性，也为其他电路源件在特殊环境下的工作和失效机理的模型仿真研究提供了一些思路。

Description

一种辐射环境下BUCK电路的失效仿真方法

技术领域

本发明属于可靠性实验、建模仿真与计算技术领域，特别涉及驱动SiP辐射可靠性仿真建模中BUCK电路在辐照强度下失效模型的仿真。

背景技术

电子产品是实现设备自动化、智能化的关键纽带，电源系统作为保障电子产品运行的直接动力来源，一旦退化失效，将导致整机瘫痪，造成巨大的经济损失。目前，国内外对电源系统的退化失效模式分析开展了广泛的研究，但是在某些特殊环境，特别是处于核辐射环境下的退化失效分析以及可靠性评估十分匮乏。因此，本文围绕多路输出电源系统开展了核辐射环境下的退化分析及可靠性评估工作，致力于构建一套系统硬件开发、试验方案设计、摸底试验探索以及理论分析的完整可靠性评价体系。基于前期对自主设计的电源系统在辐照环境下的3组摸底试验发现，该电源系统中有源器件对核辐射应力十分敏感，是导致有源器件退化失效的主要原因。然而，迫于试验周期和经济成本等因素的制约，整个评估体系将面临电源系统组件未能完全失效、试验对象数量有限、退化数据样本较少等一系列问题。

典型电路板是电子设备系统正常运行的必备条件，包含BUCK器件等在内的控制器件作为电子电路的核心，其工作的可靠性将会决定整个线性电源的可靠性性能。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用已有的离散试验数据，对BUCK电路进行建模仿真产生足量多的退化数据，利用这些退化数据来计算和评估系统可靠性提高了计算结果的精度，解决了迫于试验周期和经济成本等因素的制约，整个评估体系将面临电源系统组件未能完全失效、试验对象数量有限、退化数据样本较少等一系列问题。

在正常工作环境下BUCK电路的输出电压为y1；而当在辐照环境下工作时，Buck电路内部发生某种退化导致最终的电压输出值为y2；由于辐照原因使得BUCK电路内部发生改变使得最终的输出电压发生改变；在退化分析中，很难找到芯片内部的退化原因，所以通过改变BUCK电路的输入使得最终的输出电压和辐照环境下的输出电压一致。

本发明技术方案为一种辐射环境下BUCK电路的失效仿真方法,该方法包括：

步骤1：采用实验获取BUCK电路的部分辐射强度下的输出电压，辐照强度的范围包括使BUCK电路输出正常的辐照强度和输出完全失灵的辐照强度，根据辐照强度和对应的输出电压拟合出BUCK电路退化曲线f(x)，并根据BUCK电路的的电器特征得到其失效阈值电压V_失效阈值；

步骤2：对BUCK电路进行建模，BUCK电路包括：误差比较器、锯齿波发生器、电压基准源、PWM波比较器、P型MOS管、稳压电路；输入电压分别输入电压基准源、锯齿波发生器、P型MOS管的源极，电压基准源的输出作为误差比较器的输入，误差比较器的输出和锯齿波发生器的输出作为PWM波比较器的输入，PWM波比较器的输出连接P型MOS管的栅极，P型MOS管的漏极为输出，P型MOS管的输出经过稳压电路后为BUCK电路的输出；

步骤3：根据表1中试验所得到的BUCK电路退化数据，反推出BUCK电路的PWM波发生器中锯齿波发生器的增益、误差比较器的放大器增益、电压基准源的变化范围；

步骤4：将PWM波发生器中锯齿波发生器的增益、误差比较器的放大器增益、电压基准源的值设置为其对应的变化范围内均匀分布的随机变量，然后应用到BUCK电路的仿真中，得到不同辐照强度下的BUCK电路输出电压v_x；

步骤5：根据BUCK电路的标准输出电压v_标准输出，采用下式得到BUCK电路的退化分布族F(x)；

其中，x为辐照强度，利用核密度估计法得出辐照强度对应的输出电压的概率密度分布图；

步骤6：根据所得到的概率密度函数，利用蒙特卡洛法低于失效阈值电压V_失效阈值的为0高于失效阈值电压V_失效阈值的为1，得到随着辐照强度增加BUCK电路的可靠度曲线。

进一步的，所述步骤1中采用反比例模型

或指数模型f(x)＝β×exp(αx)、或对数模型ln(f(x))＝α×ln(x)+β来拟合BUCK电路退化曲线f(x)；其中，α和β分别为待拟合的参数。

进一步的，所述步骤2中设置BUCK电路模型的PWM波发生器的输出波占空比为80％，载波信号则是锯齿波，设置调制电压为失效阈值电压V_失效阈值。通过这样可以调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制电压的目的。

随着核电站、人造卫星和航天飞机等方面的发展，集成电路在核辐射环境中的可靠性问题越来越受重视，本发明通过simulink仿真出驱动SiP电路中电源板BUCK电路在辐射环境下的失效模型，通过输出电压变换来度量其失效的过程，为解决在辐射环境这种苛刻条件下实验条件不足、数据缺乏、成本高昂等问题提供了更多的可行性和操作性。

附图说明

图1为正常实验环境和辐照环境对比图。

图2为实现辐照强度的不断上升BUCK电路仿真流程图。

图3为BUCK退化拟合曲线结果图。

图4为BUCK电路仿真建模结果图。

图5为BUCK电路在辐射环境下退化分布族仿真结果图。

图6为BUCK电路在辐射环境下概率密度曲线仿真结果图。

图7为BUCK电路在辐射环境下可靠度曲线仿真结果图。

具体实施方式

本发明的辐射环境下一种BUCK电路失效仿真方法包括如下步骤：

1.针对驱动SiP典型电路，根据其辐射可靠性建模仿真与计算数据需要，设计独特的辐射可靠性实验系统及方案，涉及的实验设备加工与制造计划通过外协完成，实验执行或操作计划派遣研究人员参与完成。

2.将输出电压作为量化BUCK电路失效的实验数据，并对各个电路板的数据进行处理，分类。

根据驱动SiP典型电路中电源板的组成电路及其功能，利用simulink设计出能够实现BUCK电路功能的仿真模型。

3.利用matlab和simulink的互通，编写matlab代码模拟辐射环境下辐照强度不断上升的过程，其步骤如下：

步骤1：先通过实验所得数据通过各种数学模型拟合得到最适合输出电压与辐照强度函数关系的曲线，本实施例中的V_失效阈值由实验结果可得为3.45V；采用反比例模型

或指数模型f(x)＝β×exp(αx)、或对数模型ln(f(x))＝α×ln(x)+β来拟合BUCK电路退化曲线f(x)；其中，α和β分别为待拟合的参数。最后得到拟合结果为图3所示

步骤2：先根据BUCK电路的原理在Simulink中进行基理建模，达到与试验相符的水平；在生成PWM波信号时，将调制信号与载波信号的大小进行比较，当载波信号值小于调制信号时，其结果为1，当载波信号值大于调制信号值时，比较结果为0。为了得到电路中80％占空比的PWM波，设置调制电压为固定值3.45V，而载波信号则是锯齿波。

步骤3：电路中有源器件会受到辐射的影响而发生退化，从而导致电压的输出与正常环境的输出电压不同，为了更好的模拟辐照环境下电路的退化过程，将电路中PWM发生器中锯齿波增益、误差比较器的放大器增益、电压基准源，这三个有源器件的参量设为均匀分布的随机变量，并利用试验数据来调整随机变量的范围。最后得到大量的仿真数据--输出电压值。

步骤3.1：在该电路中，输出电压与输入电压的关系如下所示；

其中T_on表示一个周期内开关闭合的时间，T_off表示一个周期内开关断开的

时间，也就是PWM波的占空比，通过上式可看出输出电压受到输入电压以及PWM波的占空比的控制，在辐照环境中输入电压保持稳定，故可以推断PWM波的占空比受到辐射的影响所以导致输出电压发生改变；

步骤3.2：在电路中PWM波的占空比受锯齿波增益、误差比较器增益、电压基准源控制，所以在仿真时通过改变锯齿波增益、误差比较器增益模拟辐照环境；

步骤3.3：设置锯齿波增益随机数范围x1为2700～2900；设置误差比较器增益随机数范围x2为2350～2550；设置电压基准源随机变量的范围x3为0.79～0.83，带入仿真中设置输入变量x＝{x1,x2,x3}最后得到输出电压y＝{y₁,y₂,…y₁₀₀₀,y₁₀₀₁}；

步骤3.4：输出电压的采样时间为0.01ms，为保证数据的有效性，取每一次仿真输出电压最后两次的平均值既y¹＝(y₁₀₀₀+y₁₀₀₁)/2最后得到仿真输出电压的样本为

步骤4：因输出的标准电压为5V，所以以5V为参考值令：

式中x为辐照强度，v_x为仿真中的输出电压Vout，f(x)为退化曲线的表达式。利用F(x)做仿真的退化分布族；V_失效阈值由实验结果可得为3.45V。利用核密度估计法得出辐照强度的概率密度分布图。

步骤5：根据所得到的概率密度函数，利用蒙特卡洛法低于阈值的为0高于阈值的电压为1最后随着辐照强度增加BUCK电路的可靠度曲线。

从图1中我们可以看到在正常工作环境下BUCK电路的输出电压为y1；而当在辐照环境下工作时，Buck电路内部发生某种退化导致最终的电压输出值为y2；本方案通过仿真模拟辐照环境。

从图5中我们可以得到辐照强度与输出电压的退化分布族，从图我们可以看出随着辐照强度地不断增加，在0～110Krad时，电压未发生退化基本保持不变，在辐照强度114Krad左右时电压发生突然性失效，迅速降到0.5V左右，即此时已经全部失效。

将退化分布族与失效阈值3.45V的交点利用核密度估计法可以得到图6所示的概率密度曲线，从图6可以看出在114.06Krad左右的概率密度最大，于是我们可以得到BUCK电路临近失效时其辐照强度为多少；辐照强度为0～110Krad时电压无明显退化趋势，辐照强度大于110Krad电压开始退化，退化拟合段的辐照强度为110～120Krad。

最后从图7中我们可以看到SIP驱动中的BUCK电路在辐射环境下的可靠度曲线。可以得出在辐照强度为110Krad左右BUCK电路开始失效，到115Krad左右完全失效。与目前试验观察的数据基本符，证明了本案的有效性。

表一，具体实验获得辐照强度和电压之间的对应数据

Claims (3)

1.一种辐射环境下BUCK电路的失效仿真方法，该方法包括：

步骤1：采用实验获取BUCK电路的部分辐射强度下的输出电压，辐照强度的范围包括使BUCK电路输出正常的辐照强度和输出完全失灵的辐照强度，根据辐照强度和对应的输出电压拟合出BUCK电路退化曲线f(x)，并根据BUCK电路的的电器特征得到其失效阈值电压V_失效阈值；

步骤2：对BUCK电路进行建模，BUCK电路包括：误差比较器、锯齿波发生器、电压基准源、PWM波比较器、P型MOS管、稳压电路；输入电压分别输入电压基准源、锯齿波发生器、P型MOS管的源极，电压基准源的输出作为误差比较器的输入，误差比较器的输出和锯齿波发生器的输出作为PWM波比较器的输入，PWM波比较器的输出连接P型MOS管的栅极，P型MOS管的漏极为输出，P型MOS管的输出经过稳压电路后为BUCK电路的输出；

步骤3：根据表1中试验所得到的BUCK电路退化数据，反推出BUCK电路的PWM波发生器中锯齿波发生器的增益、误差比较器的放大器增益、电压基准源的变化范围；

步骤4：将PWM波发生器中锯齿波发生器的增益、误差比较器的放大器增益、电压基准源的值设置为其对应的变化范围内均匀分布的随机变量，然后应用到BUCK电路的仿真中，得到不同辐照强度下的BUCK电路输出电压v_x；

步骤5：根据BUCK电路的标准输出电压v_标准输出，采用下式得到BUCK电路的退化分布族F(x)；

其中，x为辐照强度，利用核密度估计法得出辐照强度对应的输出电压的概率密度分布图；

步骤6：根据所得到的概率密度函数，利用蒙特卡洛法低于失效阈值电压V_失效阈值的为0高于失效阈值电压V_失效阈值的为1，得到随着辐照强度增加buck电路的可靠度曲线。

2.如权利要求1所述的一种辐射环境下BUCK电路的失效仿真方法，其特征在于，所述步骤1中采用反比例模型

或指数模型f(x)＝β×exp(αx)或对数模型ln(f(x))＝α×ln(x)+β来拟合BUCK电路退化曲线f(x)；其中，α和β分别为待拟合的参数。

3.如权利要求1所述的一种辐射环境下BUCK电路的失效仿真方法，其特征在于，所述步骤2中设置BUCK电路模型的PWM波发生器的输出波占空比为80％，载波信号则是锯齿波，设置调制电压为失效阈值电压V_失效阈值。

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