抗辐照加固Boost型DC/DC转换器的设计与实现

摘要

由于航天设备长期运行在恶劣的空间辐射环境中，辐射对电子系统的损伤成为导致整个航天设备失灵的重要诱因，甚至最终导致卫星或航天器灾难性的后果。作为航天设备重要的供电电源--DC/DC转换器就首当其冲受到辐射的影响，因而其可靠性尤其是抗辐射性能就备受关注。
　　 首先介绍了Boost型DC/DC转换器的基本拓扑结构，通过PSpiCE软件仿真给出详细的电路工作原理分析，详细叙述了PWM电压模式和PWM电流模式以及电流模式的不稳定性。介绍了空间辐射环境、单粒子效应和总剂量效应，并对两种效应的机理做了详细的解释。通过大量实验数据和图表汇总发现DC/DC转换器功率MOS管容易受到总剂量效应辐射损伤而导致阈值电压降低的退化最终有可能导致转换器失效，PWM控制器也容易受到总剂量效应和单粒子效应辐射损伤而导致输出脉冲漏失、基准电压漂移等退化现象。
　　 然后对Boost型DC/DC转换器的辐射敏感元件进行了分析，包括功率VDMOS开关管、PWM集成控制模块和肖特基二极管。接下来论述了DC/DC转换器抗辐照加固技术，包括基于敏感元件筛选的加固方法，基于光耦反馈的加固方法，然后借助于PSpiCE仿真洋细分析了基于功率开关管电路设计的加固技术。针对功率MOS开关管由于受到辐射而阈值电压下降的情况，设计了相应电路以抬高源极电位的措施以抵消阈值电压的下降，并通过PSpiCE仿真验证。
　　 设计了基于PWM集成控制器UC2843的Boost型DC/DC转换器电路，随后又设计了一种新型变压器隔离的Boost型DC/DC开关电源电路，由于加入了变压器隔离，提高了抗辐射性能。对这两个电路都经过SIMetrix软件仿真，结果符合设计的初衷，并制作了相应的实物电路板，经测试其性能满足设计要求，和仿真结果基本一致。
　　 最后对设计的变压器隔离的DC/DC转换器的VDMOS进行加固，仿真结果表明设计的正确性、合理性。