韓曉東，梁盛銘，張皓源，劉 輝，孫 明，劉 凡

（1.中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2.中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

宇航用脈寬調(diào)制器評估試驗方法

韓曉東1，梁盛銘2，張皓源1，劉 輝1，孫 明1，劉 凡2

（1.中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2.中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

文章結合航天應用需求和脈寬調(diào)制器的特點，對宇航用脈寬調(diào)制器評估試驗的方法和項目開展了深入研究，針對脈寬調(diào)制器在壽命前后及不同溫度下的典型振蕩頻率的溫漂，基準電壓的溫漂及長期穩(wěn)定性，以及外接電阻、電容與振蕩頻率的關系等特性進行了評估。并通過試驗驗證了評估方法的有效性，可以為脈寬調(diào)制器的宇航應用提供全面的數(shù)據(jù)支撐和應用指導。

脈寬調(diào)制器；應用驗證；評估試驗；極限試驗；壽命考核強化試驗

0 引言

宇航元器件作為航天器的重要組成部分，其質(zhì)量直接決定著航天任務的成敗。而宇航元器件，尤其是關鍵元器件國產(chǎn)化的迫切需求，使得全面有效的元器件保證工作顯得尤為重要[1]。

脈寬調(diào)制器（pulse-width modulation, PWM）主要實現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)節(jié)功能，在宇航應用中通常與功率管、整流電路、反饋網(wǎng)絡等組成開關電源，是開關電源的核心器件。新研制的脈寬調(diào)制器需要從器件結構、性能、系統(tǒng)適應性等方面開展驗證工作[2]，以降低宇航應用風險。元器件評估[3]作為應用驗證的關鍵環(huán)節(jié)，可為型號選用提供重要的試驗依據(jù)，對生產(chǎn)單位的生產(chǎn)也具有重要的指導意義。

本文綜合考慮宇航用脈寬調(diào)制器的特點以及評估試驗的可實施性，提出了一種針對宇航用脈寬調(diào)制器的評估試驗方法，并通過試驗驗證了該方法的有效性。

1 宇航用脈寬調(diào)制器評估試驗內(nèi)容

宇航用脈寬調(diào)制器評估試驗的內(nèi)容主要包括功能性能分析、極限試驗[4]和壽命考核強化試驗等。

1.1 功能性能分析

功能性能分析從航天器在軌實際應用出發(fā)，對宇航元器件的全參數(shù)進行測試，對宇航用脈寬調(diào)制器在不同溫度、外接振蕩電阻和電容、不同振蕩頻率等應力下的功能性能進行評估，繪制器件的特性曲線以及考核器件的工作壽命等，從而分析其在實際應用中的符合性。

在開關電源中，脈寬調(diào)制器控制功率管通斷，為整流電路提供占空比可控的輸入交流電壓，經(jīng)整流后使開關電源輸出端獲得恒定的直流電源。靜態(tài)電流、基準電壓、內(nèi)部運放輸入電壓、內(nèi)部運放開環(huán)增益、輸出高電平、輸出低電平、振蕩頻率、占空比是衡量脈寬調(diào)制器性能的關鍵參數(shù)。靜態(tài)電流表征器件的功耗情況，基準電壓是決定整個開關電源輸出電壓的精度以及限流、過流、欠壓保護的閾值點，內(nèi)部運放的輸入電壓和開環(huán)增益決定最終開關電源模塊的輸出電壓精度及負載調(diào)整率，輸出高電平和輸出低電平表征電路的輸出能力，振蕩頻率決定整個開關電源環(huán)路整流補償設計值，占空比決定器件的最大輸出功率。通過不同條件下的測試分析，可對脈寬調(diào)制器的工作狀態(tài)有更深入的了解，從而預估出器件在系統(tǒng)應用中的表現(xiàn)。

1.2 極限試驗

元器件應力極限是指在規(guī)定時間的應力作用條件下，滿足要求的臨界應力值。根據(jù)脈寬調(diào)制器的性能特性、環(huán)境應力特點、實際需求等，選取對元器件可靠性影響較大的評價內(nèi)容作為極限評估的試驗項目，包括電應力、溫度應力、機械應力等。其中電應力極限包括電源電壓極限、輸入電壓極限和最大驅(qū)動電流極限等；溫度應力極限包括高溫工作應力極限和封裝熱應力極限等；機械應力極限包括機械沖擊極限、掃頻振動極限和可焊性極限等。

1.3 壽命考核強化試驗

壽命考核強化試驗主要考核元器件在比鑒定檢驗壽命試驗更長的時間及特定工作狀態(tài)下，電性能、熱性能的退化趨勢，其電應力、熱應力條件應不低于鑒定試驗條件。脈寬調(diào)制器在鑒定試驗基礎上開展4000 h壽命考核強化試驗，計算壽命前后性能參數(shù)的變化量值，每1000 h前后對基準進行三溫測試，計算基準溫度系數(shù)。

2 宇航用典型脈寬調(diào)制器評估試驗

本文以某典型脈寬調(diào)制器為例，對脈寬調(diào)制器的評估試驗方法進行全面系統(tǒng)的研究。

2.1 典型脈寬調(diào)制器簡介

XX-PWM調(diào)制器是一款電流型脈寬調(diào)制器[5]。該PWM頻率固定，采用線性雙極工藝，輸入電壓范圍12～25 V，具備欠壓鎖定功能，單端輸出脈寬調(diào)制波形，能夠驅(qū)動雙極型晶體管和 MOSFET，主要應用于隔離型電源系統(tǒng)，實現(xiàn)DC/DC穩(wěn)壓輸出功能。

該PWM主要由電壓基準、運算放大器、電流比較器、RS觸發(fā)器、T觸發(fā)器和輸出級等部分構成。通過把振蕩器的放電時間轉化為窄脈寬信號，再經(jīng)T觸發(fā)器分相來控制輸出級工作，使其輸出占空比為50%的方波信號。器件內(nèi)部集成的運放、電流比較器和RS觸發(fā)器可通過外部線路連接實現(xiàn)反饋控制，當運放采樣到輸出變高或電流檢測端檢測到輸出電流過大，就通過RS觸發(fā)器來減小輸出信號占空比，反之，增大輸出信號占空比。

2.2 典型脈寬調(diào)制器評估試驗

根據(jù)XX-PWM調(diào)制器的特點，并結合型號的實際應用條件，規(guī)定評估試驗的項目如表1所示，包括測試全面性分析、一致性分析、電應力極限、溫度應力極限等項目?？紤]對板級系統(tǒng)參數(shù)的影響，特別選取了振蕩頻率和基準電壓參數(shù)進行不同條件下的分析評估。對于振蕩頻率參數(shù)而言，主要分析振蕩頻率的溫漂、批次間一致性和壽命后溫漂的變化量；對于基準電壓來說，主要分析器件穩(wěn)定性和溫度特性，由于PWM的基準電源精度直接決定DC/DC電源輸出精度，進而決定系統(tǒng)的檢測靈敏度，所以需對PWM開展4000 h壽命試驗來評估基準電壓變化量，以評價器件是否滿足長壽命的應用要求。

表1 XX-PWM調(diào)制器評估試驗項目Table 1 The assessment test items of XX-PWM

2.2.1 振蕩頻率評估分析

PWM的振蕩頻率參數(shù)是用來描述輸出波形的頻率，在DC/DC轉換系統(tǒng)中，頻率會影響整流電路的電感、電容的選擇，決定DC/DC直流輸出的紋波頻率和幅值，以及DC/DC轉換器的效率等，是開關穩(wěn)壓器的重要參數(shù)。因此，在評估試驗中需對器件的振蕩頻率指標進行全面分析。

對XX-PWM振蕩頻率進行一致性分析，25、-55、125 ℃下振蕩頻率的實測值分布如圖1所示，可以看出該參數(shù)基本呈正態(tài)分布，參數(shù)余量較大。

在DC/DC應用中，輸出紋波頻率直接由振蕩頻率決定，考慮到后級信號系統(tǒng)工作頻率，有時為了避開倍頻影響，就需要調(diào)整PWM的振蕩頻率。同樣，在對系統(tǒng)有小型化要求及整流濾波電路有體積需求時，也需要考慮調(diào)整振蕩頻率。因此，對不同振蕩頻率下的溫漂和 2個晶圓批間的振蕩頻率一致性進行分析。在評估試驗中，選取了2個批次的器件，參考用戶使用的頻率點，分別在52、250、500 kHz振蕩頻率下對其溫漂進行了評估，測試結果見表2～表4。

表2 振蕩頻率52 kHz時頻率溫漂測試結果Table 2 The test results of frequency vs temperature when the oscillation frequency is 52 kHz

表3 振蕩頻率250 kHz時頻率溫漂測試結果Table 3 The test results of frequency vs temperature when the oscillation frequency is 250 kHz

表4 振蕩頻率500 kHz時頻率溫漂測試結果Table 4 The test results of frequency vs temperature when the oscillation frequency is 500 kHz

從表2～表4中可知，器件的振蕩頻率在52、250、500 kHz下的頻率溫漂均在5%以內(nèi)，能夠滿足用戶型號設計裕量要求。批次2的頻率溫漂與批次1相比，低頻時基本相同，高頻時高約1%，表明頻率溫漂指標的批次間一致性較好。

為了評估振蕩頻率的長期穩(wěn)定性，對壽命前與4000 h壽命后的頻率溫漂進行了變化量計算，結果見表5所示。

從表5可看出，器件的頻率溫漂壽命前后變化量較?。ā?%內(nèi)），說明振蕩頻率參數(shù)穩(wěn)定，能夠適應長壽命應用。

從振蕩頻率的評估分析可知，該參數(shù)符合正態(tài)分布，在低、中、高頻率下頻率溫漂較小，且參數(shù)的批次間一致性較好，長壽命試驗后參數(shù)也穩(wěn)定。所獲取的相關數(shù)據(jù)有助于型號設計師正確選擇濾波整流電路，確定輸出紋波電壓的頻率，正確避開諧振倍頻對系統(tǒng)的影響，以及較好地評估 DC/DC轉換系統(tǒng)的三溫特性。

表5 壽命前后振蕩頻率溫漂變化量測試結果Table 5 The test results of frequency vs temperature before and after the life test

2.2.2 基準電壓評估分析

XX-PWM包含1個5 V輸出的基準電壓，1個2.5 V的內(nèi)置運放正相參考電壓，以及1個1.0 V的電流比較器參考電壓。其中5 V基準電壓為電路的基準電壓輸出端，是器件內(nèi)部所有參考電壓的基準。2.5 V和1.0 V電壓均是由5 V分壓而來，2.5 V電壓為內(nèi)置運放的參考電壓，運放反相端為DC/DC輸出采樣反饋端，通過該端口的反饋控制實現(xiàn)穩(wěn)定的直流輸出，2.5 V電壓的精度直接影響輸出直流電壓的精度。1.0 V電壓為電流比較器正相端參考電壓，電流比較器的反相端通過在驅(qū)動后級增加限流電阻，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)電流尖峰時，控制脈寬變窄，限制輸出電流，保護后級功率器件不會因過熱而燒毀。因此，需對器件的基準電壓指標進行全面的分析。

對基準電壓參數(shù)進行一致性分析，25、-55、125 ℃下基準電壓參數(shù)的實測值分布如圖2所示，可以看出該參數(shù)基本呈正態(tài)分布，參數(shù)余量較大。

基準電壓的溫漂同樣是一個重要的應用指標，該參數(shù)決定DC/DC轉換系統(tǒng)直流輸出電壓的溫度特性，繪制器件的基準電壓隨溫度變化曲線如圖3所示，可以看出基準電壓與溫度呈負相關變化，器件基準電壓變化全溫范圍約30 mV。

基準電壓的長期穩(wěn)定性能力直接影響 DC/DC轉換系統(tǒng)的長壽命應用，同時器件的規(guī)范及手冊中都有相應的指標要求。為進行基準電壓的長期穩(wěn)定性評估，對器件開展了4000 h壽命試驗，每1000 h進行1次變化量測量，基準電壓的變化情況如表6所示。從表6中可知，基準電壓每1000 h會出現(xiàn)0～±6 mV的變化量，滿足規(guī)范要求（0～±25 mV）。

表6 基準電壓每1000 h的變化量?Table 6 The increment of reference voltage?for every 1000 h

2.2.3 外接電阻電容評估分析

XX-PWM的RT/CT端需外接電阻、電容才能使器件工作，從而輸出鋸齒波。設計師需要根據(jù)DC/DC的工作頻率來設置PWM的振蕩頻率。因此，需給出器件外接電阻、電容與振蕩頻率的特性關系，以方便應用。

對器件的外接電阻、電容特性進行測試分析，繪制了4種電容取值下對應的振蕩頻率特性曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在RT＜1 k?時，振蕩頻率隨電阻阻值增大而小幅度升高，RT超過1 k?后，振蕩頻率隨電阻阻值增大而線性下降。雖然器件最高頻率超過了1 MHz，但是由于內(nèi)部運放的帶寬只有 1.3 MHz左右，導致在高頻下電壓增益急劇降低，使得調(diào)整效率不理想，因此建議器件在1 MHz內(nèi)應用。

2.2.4 極限試驗評估分析

在試驗過程中對XX-PWM的電應力、溫度應力和機械應力極限特性進行了分析，以下給出試驗方法和結論。

2.2.4.1 電應力試驗

1）在25 V電源電壓基礎上，每步增加1 V，停留1 min后，對器件進行測試，不滿足規(guī)范或有失效時停止試驗。通過試驗得到器件的最大工作電壓約為37 V。

2）起始電壓為0 V，每步增加0.5 V，停留1 min后，對器件進行測試，不滿足規(guī)范或有失效時停止試驗。通過試驗得到器件的輸入端耐壓極限為9.5 V。

3）在溫度為-55、25、125 ℃下，輸出為高（低）電平時，使器件輸出保持空載，然后讓輸出端拉出（吸入）電流，步進50 mA，此時測試輸出電平，不滿足規(guī)范時停止試驗。通過試驗得到吸入電流極限為300 mA，輸出電流極限為550 mA。

2.2.4.2 溫度應力試驗

1）起始溫度125 ℃，每步增加25 ℃，對器件的電源電流進行在線監(jiān)測，在此環(huán)境下工作 168 h后，取出器件恢復到常溫，冷卻1 h后進行測試，直至50%器件出現(xiàn)失效終止試驗。通過試驗得到器件的高溫工作極限溫度為175 ℃。

2）對器件進行溫度循環(huán)試驗、熱沖擊試驗、密封試驗以及電參數(shù)測試，器件通過了溫度循環(huán)200次、熱沖擊100次及密封試驗。

2.2.4.3 機械應力試驗

1）對器件進行機械沖擊試驗、掃頻振動試驗、密封試驗以及電參數(shù)測試，器件通過了機械沖擊50次、掃頻振動120次及密封試驗。

2）對器件進行焊溫承載力試驗、密封試驗以及電參數(shù)測試，焊溫承載力試驗滿足300 ℃下耐焊10 s，且循環(huán)5次的要求。

3 結束語

本文提出了一種適用于宇航用脈寬調(diào)制器的評估試驗方法，并對典型脈寬調(diào)制器進行了試驗驗證，證明了該方法的有效性。通過相關的評估試驗，較為全面和系統(tǒng)地給出了典型脈寬調(diào)制器的性能、可靠性以及應用邊界等。

（References）

[1]田智文, 劉文寶, 劉富品.國外宇航元器件保證工作概況[J].質(zhì)量與可靠性, 2013(4): 42-45

[2]江理東, 郭鵬, 張延偉, 等.宇航元器件應用驗證系統(tǒng)工程研究[J].航天器工程, 2012, 21(3): 124-129 JIANG L D, GUO P, ZHANG Y W, et al.System engineering study on application validation for space components[J].Spacecraft Engineering, 2012, 21(3): 124-129

[3]韓曉東, 蒲瑞民, 寧永成, 等.宇航用數(shù)字信號處理器評估試驗方法研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2013, 32(增刊1): 19-23 HAN X D, PU R M, NING Y C, et al.Research on the method of assessment test for digital signal processor used in space[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2013, 32(sup 1): 19-23

[4]張洪偉, 夏泓, 江理東, 等.宇航元器件極限評估技術研究[J].電子元件與材料, 2011, 30(11): 72-76 ZHANG H W, XIA H, JIANG L D, et al.Research of aerospace components limit assessing technology[J].Electronic Components & Materials, 2011, 30(11): 72-76

[5]張志平.電流型脈寬調(diào)制器的研究[D].西安: 西安電子科技大學, 2006: 1-40

（編輯：張艷艷）

Test evaluation of pulse-width modulators for aerospace applications

HAN Xiaodong1, LIANG Shengming2, ZHANG Haoyuan1, LIU Hui1, SUN Ming1, LIU Fan2
(1.China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100094, China; 2.Sichuan Institute of Solid-State Circuits, China Electronics Technology Group Corp, Chongqing 400060, China)

Based on the aerospace application requirements and the characteristics of the pulse-width modulators, this paper investigates the content and the methods of the assessment tests for the pulse-width modulator for aerospace applications.Some key indexes or characteristics are evaluated, such as the temperature drift of the typical oscillation frequency before and after the life test, the temperature drift and the long-term stability of the reference voltage, and the swing of the oscillation frequency at different external oscillation resistances and capacitances.These are validated by the evaluation tests.The results can provide comprehensive data support and guidance for the aerospace applications of the pulse-width modulation.

pulse-width modulator; application validation; assessment test; limiting test; life assessment strengthen test

V448.15;TN432

：A

：1673-1379(2017)01-0091-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.015

韓曉東（1988—），男，碩士學位，從事宇航元器件質(zhì)量保證和應用驗證工作。E-mail: hxd123456789055854@163.com。

2016-04-12；

：2017-01-10

韓曉東,梁盛銘,張皓源,等.宇航用脈寬調(diào)制器評估試驗方法[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(1): 91-97

HAN X D, LIANG S M, ZHANG H Y, et al.Test evaluation of pulse-width modulators for aerospace application[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 91-97