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Die
Erfindung betrifft eine Testvorrichtung zur Überwachung
des Stroms in einem zu testenden elektrischen Bauteil, das während
des Tests einer Strahlenbelastung ausgesetzt ist.
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Für
elektronische Schaltungen, die aufgrund ihrer Umgebungsbedingungen
hohen Strahlendosen ausgesetzt sind, wie dies beispielsweise im
Weltraum der Fall ist, werden derzeit strahlungsresistente Schaltungskomponenten
eingesetzt. Solche strahlungsresistenten Schaltungskomponenten haben den
Nachteil, dass sie zum einen erheblich teurer sind als vergleichbare,
nicht strahlungsresistente Schaltungskomponenten und zum anderen
nicht jeder gewünschte Integrationsgrad bzw. Schaltungskomponententyp
in strahlungsfester Ausführung erhältlich ist.
Darüber hinaus sind die strahlungsresistenten Schaltungskomponenten
mitunter technisch veraltet. Dadurch kann es insgesamt zu Platz-
und Funktionsproblemen kommen, wenn moderne Designs mit einem mittleren
bis hohen Integrationsgrad für die Raumfahrt angepasst
werden müssen.
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Bei
Bestrahlung mit hohen Strahlendosen zeigen strahlungsempfindliche,
aktive Schaltungskomponenten im wesentlichen zwei Effekte, nämlich
- – Langzeiteffekte (Alterung), wie
beispielsweise eine durch die Strahlung erzeugte Verschiebung von
Arbeitspunkten, oder eine Einlagerung geladener Teilchen in einem
Chip, wobei diese Effekte in vielen Fällen noch tolerierbar
bzw. kompensierbar sind, und
- – plötzliche Effekte (single event effects,
SEE), wie ein "Umkippen" einzelner Bits in digitalen Schaltungen,
das Entstehen kurzer Pulse in analogen Schaltungen oder bei CMOS-Schaltungskomponenten
die auftretenden sogenannten Latch-Ups.
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Latch-Ups
werden dadurch verursacht, dass ionisierte Teilchen wie beispielsweise
Alpha-, Beta-, Schwerionen- oder Protonenstrahlung die parasitär in
dem CMOS-Substrat enthaltenen Thyristoren zünden, was einen
schnellen Stromanstieg und – ohne Schutzmaßnahmen – eine
Zerstörung der Schaltungskomponente zur Folge haben kann.
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Alternativ
zu raumfahrttauglichen elektrischen Bauteilen können auch
moderne Bauteile eingesetzt werden, die bereits eine gewisse Grundimmunität
besitzen und gemäß den ESA-Richtlinien selbstständig
qualifiziert werden. Dafür müssen die Bauteile
in Abhängigkeit von dem notwendigen Härtegrad
einer definierten Strahlung (Gammastrahlung, ionisierte Strahlung)
ausgesetzt werden. Während dieser Phase ist permanent die
Funktion des zu testenden Bauteils zu überprüfen
und die Stromaufnahme zu überwachen, da ein typischer Fehler
hierbei die bereits zuvor genannten Latch-Ups sind. Die als Folge
der dabei auftretenden sprunghaften Stromaufnahme entstehende interne Überhitzung
bzw. Überlastung von stromführenden Pfaden kann
zur Zerstörung des Bauteils führen.
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Für
die Flug- und Raumfahrthardware existieren geeignete Latch-Up-Schutzschaltungen,
die allerdings individuell auf die Stromaufnahmen der jeweiligen
Bauteile (beispielsweise ICs) anzupassen sind (siehe beispielsweise
WO-A-2005/119777 ).
Für einen Strahlentest können diese Schutzschaltungen nur
bedingt eingesetzt werden, da einige der hierfür benötigten
Parameter erst während der Testphase ermittelt werden.
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Um
die Vielzahl der benötigten Informationskanäle
aufzunehmen, sind für diese Strahlentests eine Vielzahl
von unterschiedlichen Messgeräten notwendig. Je nach verwendetem
Baustein muss nicht nur die Stromaufnahme der Versorgungsspannung
berücksichtigt werden, sondern auch die Ströme
und Spannungen an den einzelnen Pins. Erschwerend kommt hinzu, dass
auch die Testgeräte während der Tests den Strahlen
ausgesetzt sind und hierfür umfangreiche Schutzmaßnahmen
ergriffen werden müssen. Eine ebenfalls nicht zu unterschätzende
Problematik stellt auch die Überwachung des laufenden Tests
dar, da die Strahlungstestkammer im Betrieb nicht für den
Menschen zugänglich und einsehbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Testvorrichtung zur Überwachung
des Stroms in einem einer Strahlungsbelastung ausgesetzten elektrischen
Bauteil zu realisieren.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Testvorrichtung
zur Überwachung des Stroms in einem einer Strahlungsbelastung
ausgesetzten elektrischen Bauteil vorgeschlagen, wobei die Testvorrichtung
versehen ist mit
- – einem Sensor zur
Messung des aktuell fließenden Stroms und
- – einer Auswerteeinheit zum Empfangen des Messsignals
des Sensors,
- – wobei die Auswerteeinheit den sich während
einer Strahlungsbelastung einstellenden Verlauf des Messsignals
des Sensors bezogen auf die Größe des Messsignals
zu Beginn einer Strahlenbelastung bewertet und ein Abschaltsignal
erzeugt, wenn die Größe des aktuellen Messsignals die
Größe des Messsignals zu Beginn der Strahlenbelastung
um mehr als einen ersten vorbestimmten Schwellwert überschreitet
oder wenn der Anstieg des Messsignals des Sensors eine bestimmte
Steilheit überschreitet.
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Die
erfindungsgemäße Testvorrichtung eignet sich sowohl
zur Überwachung der Gesamtstromaufnahme eines einer Strahlenbelastung
ausgesetzten elektronischen bzw. elektrischen Bauteils als auch
zur Überwachung des Stroms aus einem oder in einen digitalen
oder analogen Ausgang bzw. Eingang eines elektrischen bzw. elektronischen
Bauteils. Als Auswerteeinheit wird zweckmäßigerweise ein
digitaler Signalprozessor (DSP) eingesetzt. Zu Beginn einer Strahlenbelastung
misst ein Sensor zur Erfassung des aktuell fließenden Stroms
einen nominellen Wert, bezogen auf den der Messsignalverlauf während
der Strahlenbelastung überwacht wird. Die Überwachung
des Stroms erfolgt zum Zwecke der Abschaltung der Stromversorgung,
wenn Anormalitäten, wie sie beispielsweise auf die Entstehung
eines Latch-Ups zurückzuführen sind, detektiert
werden. Derartige Anormalitäten werden erfindungsgemäß detektiert,
wenn der Anstieg der Größe des Stroms, also der
Anstieg des Messsignals des Sensors einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Abschaltsignal
auch dann erzeugt werden, wenn die Größe des aktuellen Messsignals,
also die Größe des aktuellen Stroms die Größe
des Nominalwerts des Stroms, der zu Beginn des Tests und der Strahlenbelastung
ermittelt wurde, um mehr als einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.
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Im
Gegensatz zu bestehenden Latch-Up-Schutzschaltungen wird nach der
Erfindung in den ersten Betriebssekunden der Strahlenbelastung der
nominelle Strom bewertet, wodurch sich die Testvorrichtung selbst
adaptieren kann, so dass die Grenze für einen auftretenden
Latch-Up nicht bauteilabhängig programmiert werden muss. Dieses
Prinzip der selbstständigen Adaption gilt auch dann, wenn
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Testvorrichtung
die Stromaufnahme bzw. Stromabgabe von Eingängen bzw. Ausgängen
des zu testenden Bauteils untersucht wird.
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Vorteilhafterweise
ist die Testvorrichtung derart ausgelegt, dass sie auch der Ansteuerung
des zu testenden Bauteils zum Betrieb desselben in einem von mehreren über
die Ansteuerung auswählbaren Betriebsmodi dient. In Abhängigkeit
von dem gewählten Betriebsmodus ist die nominelle Stromaufnahme unterschiedlich.
Dies wird, wie bereits oben erläutert, bei der erfindungsgemäßen
Testvorrichtung zur selbsttätigen Adaption genutzt. Für
jeden Betriebsmodus existieren Werte für die bereits zuvor
angesprochenen Schwellwerte für die maximal zulässige Größe
des Stroms und den maximal zulässigen Anstieg des Stroms.
All diese Informationen sind in der Ansteuer- und Auswerteeinheit,
d. h. im Regelfall in dem digitalen Signalprozessor, abgelegt.
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Zweckmäßig
ist es, dass die (digitalen und/oder analogen) Ausgänge
der Auswerte- und/oder Ansteuereinheit ebenfalls abgeschaltet werden,
wenn das zu testende Bauteil bei Erkennung eines sich anbahnenden
Latch-Ups abgeschaltet wird.
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Pro
zu testendem elektrischen Bauteil werden also nach dem erfindungsgemäßen
Konzept nur sehr wenige Ausgänge bzw. Eingänge
an der Auswerte- und/oder Ansteuereinheit benötigt. Dies macht
es möglich, die Testvorrichtung mehrkanalig auszuführen,
um zeitgleich mehrere elektrische Bauteile, die einer Strahlenbelastung
ausgesetzt sind, testen zu können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen dabei:
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1 schematisch
ein Schaltbild der als Vorrichtung gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels zur Überwachung des
von einem zu testenden Bauteil aufgenommenen Gesamtstroms (bei auf
das Bauteil wirkender Strahlenbelastung) und
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel für den Einsatz der
erfindungsgemäßen Testvorrichtung zur Überwachung
des Stroms an einem digitalen Port eines Bauteils,
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3 eine
weitere Alternative für den Einsatz der erfindungsgemäßen
Testvorrichtung zur Überwachung des Stroms an einem digitalen
Port eines Bauteils,
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4 den
Einsatz der erfindungsgemäßen Testvorrichtung
zur Ermittlung der Veränderung der maximalen Ausgangsströme
an einem digitalen Port des bestrahlten Bauteils, und
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5 ein
alternatives Ausführungsbeispiel für die Ermittlung
der Veränderung der maximalen Ausgangsströme an
einem digitalen Port des bestrahlten Bauteils.
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1 zeigt
grundsätzlich die Beschaltung eines Ausführungsbeispiels
der Testvorrichtung 10 bei Überwachung des von
einem zu testenden Bauteil 12 aufgenommenen Gesamtstroms.
Zentrales Element der Testvorrichtung ist ein digitaler Signalprozessor (DSP) 14,
der Auswerte- und Ansteuerfunktionen umfasst. So wird beispielsweise über
den DSP 14 die Versorgungsspannung VCC auf
das zu testende Bauteil 12 aufgeschaltet. Hierfür
wird an einem Enable-Ausgang 16 des DSP 14 ein
Signal an einen (Halbleiter-)Schalter 18 gelegt, der daraufhin
schließt und das zu testende Bauteil 12 mit der
Versorgungsspannung VCC verbindet. Die Versorgungsspannung
kann beispielsweise über (nicht dargestellte) Jumper auf die üblicherweise
verwendeten Versorgungsspannungen von z. B. 5 V oder 3,3 V bei integrierten Schaltungen
umgeschaltet werden. Durch den steuerbaren Schalter 18 sind
also während des Tests und während der Bestrahlung
"Power on" und "Power off"-Zyklen möglich. Durch entsprechende
Ansteuerung des Schalters 18, beispielsweise durch ein PWM-Signal
am Enable-Ausgang 16, besteht auch die Möglichkeit,
definierte Spannungsrampen beim Ein- bzw. Ausschalten zu erzeugen.
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Der
vollständige Versorgungsstrom bei "Power on" fließt über
einen Messwiderstand 20, der über einen Verstärker 22 ein
stromproportionales, analoges Messsignal liefert. Bei dem Messwiderstand 20 (ggf.
mit Verstärker 22) handelt es sich also um einen
Sensor 23 zur Messung des aktuell fließenden Stroms.
Das Signal des Messsensors kann über ein (nicht dargestelltes)
Widerstandsnetzwerk an die zu erwartenden Stromstärken
angepasst werden. Der DSP 14 liest das Messsignal über
seinen integrierten AD-Wandler am Analogeingang 24 ein.
Sobald das Messsignal (im Regelfall ein zum Strom proportionales
Spannungssignal) einen bestimmten Wert übersteigt, wird
im DSP 14 ein hochpriorer Interrupt erzeugt. In der Interrupt-Service-Routine
des DSP 14 wird zunächst die Spannungsversorgung deaktiviert
und alsdann ein bis dahin geöffneter (Halbleiter-)Schalter 26 durch
Ansteuerung von einem I/O 28 geschlossen. Über
diesen nun geschlossenen Schalter 26 wird die Versorgungsspannung des
zu testenden Bauteils 12 kurzgeschlossen und somit im Falle
eines auftretenden Latch-Ups die Energie in ggf. im Bauteil 12 vorhandenen
Pufferkondensatoren gezielt abgeführt. Die systembedingten Verzögerungen vom
Erkennen eines großen Stromes bis zum Aktivieren des Kurzschlussschalters 26 liegen
bei handelsüblichen DSPs und der hier beschriebenen Beschaltung
unter 1 μs.
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Zur
zusätzlichen Sicherheit und Verbesserung der Erkennung
zu großer Ströme wird das Messsignal am Ausgang
des Verstärkers 22 einem Komparator 30 zugeführt,
der ab einer gewissen Stromstärke ein Fehlersignal erzeugt
und dem DSP 14 über einen digitalen I/O 32 zuführt.
Dieses Fehlersignal ist in DSP 14 über eine Hardware-Verknüpfung mit
dem Enable-Ausgang 16 verbunden und führt somit
im Fall eines übermäßig schnell ansteigenden Latch-Up-Stromes
zum Abschalten des Enable-Signals für den Schalter 18,
und zwar insbesondere innerhalb von 100 ns. Auch hier wird anschließend
wieder ein hochpriorer Interrupt erzeugt, der die oben beschriebene
Interrupt-Service-Routine startet.
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Sollte
der DSP 14, wie weiter oben beschrieben, auch zur Ansteuerung
der zu testenden Bauteile zwecks Auswahl eines von mehreren Betriebsmodi dieser
Bauteile verwendet werden, so werden gleichzeitig mit dem Ausschalten
der Versorgungsspannung auch die (digitalen) Ausgänge des
DSP 14 abgeschaltet. Somit werden Stromschleifen vermieden, die
letztendlich auch den DSP 14 beeinträchtigen könnten.
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Im
Gegensatz zu bestehenden Latch-Up-Schutzschaltungen kann das System
in den ersten Betriebssekunden den nominellen Strom bewerten und
sich selbst adaptieren, so dass die Grenze für einen auftretenden
Latch-Up nicht bausteinabhängig programmiert werden muss.
Dies kann soweit gehen, dass die Schwelle in Abhängigkeit
vom Betriebsmodus des zu testenden Bausteines dynamisch variiert
wird, wenn der DSP zusätzlich für die Ansteuerung
des zu testenden Bausteins verwendet wird. Anwendungen hierfür
sind: Einschaltströme bei FPGAs, erhöhte Ströme
bei Flashbausteinen während des Programmierens, u. s. w.
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Gleichzeitig
wird durch regelmäßiges Auslesen des AD-Wandlers
am analogen Eingang 24 die aktuelle Stromstärke
mitprotokolliert – inklusive der Phase, während
der sich der Latchup aufbaut. Die Messwerte werden über
eine serielle oder parallele Schnittstelle 34 (z. B. RS
422/485, USB) an den steuernden PC (der sich außerhalb
der Strahlenkammer befindet) übergeben. Die Kommandos zum
Ein- und Ausschalten der Versorgung, Einleiten evtl. notwendiger
Spannungszyklen oder Testprozeduren werden ebenfalls über
diese Schnittstelle übertragen. Da alle relevanten Daten
in chronologischer Reihenfolge in einer Messwertdatei abgelegt sind,
wird die notwendige Auswertung der Daten erleichtert, weil sie nicht von
verschiedenen Geräten zusammengetragen und synchronisiert
werden müssen.
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Für
jedes zu testende, strahlenbelastete Bauteil muss der DSP 14 nur
einen A/D-Eingang 24, einen Enable-Ausgang 16 und
einen digitalen I/O 28 bereitstellen, so dass hier auf
kleinstem Raum ein vielkanaliges System erstellt werden kann, welches mit
relativ kleinem Aufwand gegen die Strahlung abzuschirmen ist.
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Die
hier vorgestellte Schaltung kann nicht nur für eine die Überwachung
der Strom- bzw. Spannungsversorgung von sich in einem Strahlentest
befindenden Bausteinen verwendet werden; sie ist auch dafür
geeignet, digitale Eingänge zu stimulieren und die dabei
fließenden Ströme zu protokollieren. Somit kann
beurteilt werden, inwieweit sich die Testkandidaten intern verändern.
Typischerweise erhöht sich nämlich nach der Bestrahlung
mit Gammastrahlen (Protonen oder Ionen) der Eingangsstrom von digitalen
Eingängen.
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Wenn
nicht zu erwarten ist, dass der I/O-Strom an den digitalen Ports
von Testbausteinen begrenzt werden muss (Latch-Up-Gefahr), bestehen noch
weitere Varianten, den Ein- und Ausgangsstrom während der
Bestrahlung zu ermitteln.
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2 und 3 zeigen
zwei Schaltungen, mit denen ermittelt werden kann, inwieweit sich
die maximalen Ausgangsströme des bestrahlten Bauteils verändert
haben.
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Wenn
von Interesse ist, wie sich das Treiberverhalten der digitalen Ein-
und Ausgänge der bestrahlten Bauteile verändert,
bieten sich die Varianten gemäß den 4 und 5 an.
Sowohl das Quellen- als auch das Senkverhalten sind damit erfassbar, wobei
vorausgesetzt ist, dass der DSP 14 in der Lage ist, mehr
Strom zu erzeugen bzw. aufzunehmen, als das getestete Bauteil 12.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/119777
A [0006]