商用DC/DC变换器低轨道空间应用的试验评估研究

张泽明，李 鹏，邹田骥，李晋忠，王改丽，党 炜



商用DC/DC变换器低轨道空间应用的试验评估研究

张泽明1，李 鹏1，邹田骥1，李晋忠2，王改丽2，党 炜1

（1. 中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094；2. 中国人民解放军海军七〇一工厂，北京 100015）

为验证工业级DC/DC变换器在空间应用的可行性及可靠性水平，对ISL8225M型电源模块进行了功能性能评估测试、寿命可靠性评估试验，对受试样本开展了室温、高温、低温、结构分析、高压蒸煮、易燃性测试，高加速寿命试验（HALT）、温度循环试验，采集了不同试验条件下的满载输出电压、转换效率等关键电性能参数数据，并对参数变化规律进行了分析。试验结果分析表明，该商用电源模块能满足特定型号需求，为其后续应用于空间产品提供了参考。

DC/DC变换器；评估试验；COTS；可靠性；HALT；空间应用

DC/DC（直流/直流）变换器是一种运用功率半导体开关器件实现DC/DC功率变换的开关电源[1]。以其可靠性好、集成度高、体积小、质量小、效率高等特点，在航天领域得以广泛应用，它的长期可靠性和稳定性直接关系着航天产品的在轨安全[2]。尽管DC/DC变换器产品的性能、质量和可靠性都已经比较完善，但是它在直流变换过程中容易引入、形成各种干扰噪声，产生严重的传导干扰和辐射干扰，而且电源母线具有不稳定性，会引入浪涌干扰，因此仍然是航天型号电子系统中的薄弱环节[4]。

随着我国载人航天工程的跨越式发展，对航天产品使用的电子元器件技术要求越来越高，对可靠性要求主要体现在长寿命和低成本两个方面—寿命要求逐渐增加，大量采用商用货架产品(COTS, Commercial Off-the-Shelf)[5]。COTS器件更新速度快，大量采用先进技术与工艺，因此不仅满足高性能需求，还能缩短采办周期，显著降低成本，但其质量可溯性不强，无法获取厂家生产和试验信息，在空间复杂环境条件下存在达不到可靠性要求的风险控制[6]。丹麦理工大学、英国萨里小卫星中心已有COTS器件空间应用成功的先例，但航天领域大规模使用COTS器件是否可行，目前仍不得而知。当前国内还没有权威的COTS器件可靠性保证标准规范，通常是按照军用标准做升级筛选后使用，成本非常之高。因此，要将优性能、低成本，但可靠性未知的COTS器件应用于空间应用场合应建立完善的COTS器件空间应用的可靠性保证体系。

元器件评估技术，是针对分析元器件应用中关注的相关功能、性能和可靠性与规范之间要求的裕度和余量，以及在设计、材料或工艺方面的潜在缺陷，采用高加速应力和持续应力的方法以获得极限能力，评估元器件在热、力、电等应力作用下可承受的应力极限值和失效模式，综合评价元器件极限能力的全过程[8]。同时由于空间辐射效应是COTS器件可靠性固有的“盲区”，其单粒子效应风险尤为突出，所以应将元器件可靠性保障和系统防护可靠性设计相结合，开展COTS器件单粒子效应防护。

商用DC/DC变换器应用到航天器分布式电源结构中需要深入研究空间环境对器件的影响以及器件本身的可靠性水平[9]。本文主要研究商用DC/DC变换器在功能性能测试、寿命可靠性评估试验等不同条件下的功能性能和电参数变化规律。以美国INTERSIL公司生产的ISL8225M型DC/DC为例，进行了三温测试、结构分析、高温蒸煮、易燃性测试、高加速寿命试验（HALT）、温度循环试验，研究性能变化规律和机理，评估其空间应用的可行性，为低等级器件在空间型号任务的应用提供试验依据和改进建议。

1 器件概述

空间科学任务中有效载荷为实现高速、高精度等科学目标需要采用先进FPGA和DSP元器件，这些元器件采用稳定低电压大电流直流供电，INTERSIL公司ISL8225M降压型电源模块符合应用要求，外形结构尺寸见图1，质量等级为工业级，器件工作结温–40~+125℃。输入电压范围4.5~20 V，输出电压范围0.6~6 V，单路输出电流可达30 A，两路输出电流最大各为15 A，最大输出功率为100 W，转换效率最高达到95%，器件采用26管脚QFN塑料封装。

图1 DC/DC变换器外形结构尺寸图

2 评估试验方法

2.1 评估试验方案

使用条件和环境对ISL8225M的可靠性产生极大影响，其中温度对开关电源可靠性的影响至关重要，温度的变化会导致其性能及参数退化[10]。为了研究该系列器件在不同条件下的电参数性能，开展功能性能评估试验，寿命可靠性评估试验，评价其是否能满足空间应用的要求。试验项目根据低等级器件相关评估试验标准及产品手册进行剪裁制定，如表1所示[11]。考虑到ISL8225M为塑封器件，因此未开展力学环境试验。空间辐射评估可以通过试验、设计、分析等多种手段开展，在低轨道任务中总剂量效应不是主要因素，可以通过仿真分析和机箱防护解决，而单粒子效应可通过在电路设计、系统设计层次进行可靠性保障设计来解决，ISL8225M变换器在空间应用面临的特殊空间辐照环境效应可在设计层面加以解决，因此没有规划辐照试验项目。

表1 评估试验项目及规范

Tab.1 Evaluation test items and standards

2.2 电性能参数测试

利用Chroma8000测试系统，对ISL8225M器件输出电压、电压调整率、负载调整率、输出纹波电压、负载正负跃变时的输出响应、效率、过压/欠压保护等电参数进行测试[12]。测试设备及测试夹具见图2。

图2 电参数测试平台

3 试验结果分析

3.1 功能性能评估

（1）三温测试

在25℃/–40℃/125℃条件下对1#~30#共30只ISL8225M样品的2个通道满载输出电压、转换效率进行测试，工况为5 V输入1V&5A输出，测试曲线如图3~4所示，发现不同温度下满载输出电压无明显变化，通道2电压略高于通道1；效率值有差异，但变化不大。如图5所示，数据手册给出的典型的效率值为87%，实测效率达不到手册曲线的标准值。器件纹波较小，一致性很好，如图6所示。

图3 25℃/–40℃/125℃下通道1、2满载输出电压

图4 25℃/–40℃/125℃下器件转换效率

图5 数据手册给出的典型转换效率（5 V输入电压）

（2）结构分析

通过开展结构分析工作，对ISL8225M设计、结构、工艺和材料的可靠性进行评价，挖掘潜在的可靠性隐患，分析潜在的失效模式和机理[13]。X射线检查结果如图6所示，该器件属于典型混合集成电路，特别是该塑封电路厚度达7.5 mm，除采用QFN封装和底面热沉加强传导散热外，塑封料内部通过两端金属将热量传导到上方扩大热容并增强表面散热。对器件开封处理，采用激光刻蚀开封和湿法刻蚀开封，图7~9为内部目检照片，检查无异常。对芯片进行SEM检查如图10所示，未发现异常。

图6 常温下器件纹波

图7 样品21#、22#的3DXCT照片

图8 内部全貌

图9 IC全貌及键合丝

图10 样品20#的SEM照片

在结构分析中发现该塑封器件非常厚，并且上层塑封料内部存在设计上的分层，因此无法通过声学扫描显微镜对位于底部的芯片、引线和键合区域进行分层缺陷检查，该试验对塑封器件不适用。

（3）高压蒸煮试验

高压蒸煮是针对塑封电路专门设计的加速试验，激发金属化层腐蚀、吸潮和分层等失效机理，考核塑封电路抗潮湿渗透及电化学腐蚀能力。对样品18#开展了2×105Pa，121℃，96 h高压蒸煮试验后，除了常温效率有所降低，输出电压、电压调整率、负载调整率、负载跃变时输出响应变化率、纹波、效率等参数变化不明显，见表2。

表2 样品18#高压蒸煮试验后常温电参数测试数据

Tab.2 Room-temperature testing data of sample 18# after high-pressure steaming

（4）易燃性评估试验

为保障航天任务安全性，实施易燃性评估试验，考核外部易燃性和内部易燃性，用来模拟外部热源引发的燃烧风险和内部电路烧毁导致的燃烧风险。

移去外加火焰后可见火焰持续时间1 s，未出现爆发性火焰和任何导致爆发性火焰的剧烈燃烧；未滴落着火物质。样品满足易燃性要求。试验后样品见图11，标识清晰牢固，器件外观无燃烧形貌。

图11 样品17#易燃性试验后的照片

3.2 寿命可靠性评估试验结果分析

（1）HALT

HALT采用比技术规范极限更加严酷的试验应力，加速激发产品的潜在缺陷。通过施加步进应力，在远大于技术条件规定的极限应力下快速进行试验，找出产品的各种工作极限与破坏极限[15]。对于ISL8225M开展温度步进和电压步进试验，温度稳定后对产品测试满载输出电压。

a)温度步进试验

图12~13给出了24#~29#器件2个通道的满载（0=1 V,0=5 A）输出电压在不同温度下的变化情况。6只样品均在165℃时发生高温保护，停止电压输出，当温度降低后，功能恢复正常，因此高温工作极限为165℃。而6只样品的低温工作温度极限有高有低，2只（24#和27#）为–45℃，2只（26#和28#）为–50℃，1只（25#）为–60℃，1只（29#）为–65℃，此时低温保护，输出功能失效，当温度升高后，功能恢复正常。

b)电压步进试验

器件在轨额定输入电压为5 V，对1#~3#器件分别从5 V向低压步退和高压步进开展常温测试，低压步退间隔为0.2 V，高压步进间隔为1 V。输入电压在3~18 V区间内该器件能够稳定输出1V电压，过压、欠压测试数据见表3和表4，电压恢复后器件输出功能恢复正常，器件具备输入过压和欠压保护功能。

图12 高温步进时通道1、2满载输出电压

图13 低温步进时通道1、2满载输出电压

表3 输入过压保护电压

Tab.3 Input over-voltage protection voltage

表4 输入欠压保护电压

Tab.4 Input under-voltage protection voltage

（2）温度循环试验

为考核塑封结构完整性，在–55~+125℃条件下对11#~18#器件开展了200次温度循环试验，其中11#~13#分别在100/150/200次循环后开箱取出，进行检测，14#~18#在200次循环结束后进行测试，结果显示器件封装完好，性能指标正常无明显变化，因此表明连续做200次循环和间断做200个循环效果相近，无明显差异。图14、15所示为温度循环试验后2个通道的满载输出电压和效率的变化情况，可以发现电压保持恒定，效率有波动，但变化不大，在允差范围内能满足任务需求。

依据图5所示的厂家典型效率曲线，温度循环试验前后的实测效率都明显低于效率曲线典型值，这是商业器件的一个典型问题。很多COTS器件的性能指标在数据手册中并不给出严格的合格判据，对器件实测参数值进行任务需求符合性判断是应用COTS器件的一个关键。

图14 温度循环后通道1、2满载输出电压

图15 温度循环后器件转换效率

4 结论

介绍了ISL8225M型电源模块的基本情况，根据评估试验方法，制定试验方案，开展了三温测试、结构分析、高温蒸煮、易燃性测试、高加速寿命试验（HALT）和温度循环试验，对器件封装可靠性、安全性、结构特点、功能性能进行了测试分析，并将HALT引入元器件验证，摸底COTS器件极限。对满载输出电压、转换效率等关键电性能参数进行了测量，分析了该变换器在各类环境应力试验中敏感参数的变化情况，得到了该商用DC/DC变换器能满足特定型号任务需求的结论，为商用器件空间应用的可靠性保障技术提供了参考，在一定程度上回答了钱学森先生于20世纪80年代初指出的未来可靠性学科发展三大方向之一，即低可靠元件组成高可靠系统。从评估结果看，商用器件在可靠性评价上需要关注以下三点：

（1）商用塑封器件的数据手册给出的曲线等数据是典型值，实际使用时应获取实测数据来评估是否能满足应用需求；

（2）考虑器件结构的特异性，分析标准方法的适用性，合理剪裁，避免误判，此ISL8225M型DC/DC变换器不适用声学扫描显微镜检查；

（3）在高可靠场合应用时，器件的保护功能能够发挥良好作用效果，因此应评估其有效性。

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（编辑：陈渝生）

Evaluation test of commercial DC/DC converter in low earth orbit application

ZHANG Zeming1, LI Peng1, ZOU Tianji1, LI Jinzhong2, WANG Gaili2, DANG Wei1

(1. Technology and Engineering Centre for Space Utilization, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China; 2. No.701 Factory of PLA (N)，Beijing 100015, China)

To demonstrate the usability and reliability of commercial DC/DC converter in space application, the function & performance test, and the life & reliability test were carried out for ISL8225M series power supply module. Firstly, the critical electrical performance parameters of test samples were measured under room temperature, low temperature and high temperature. Furthermore, the evaluation tests, including high-pressure steaming, flammability test, structural analysis, highly accelerated life testing (HALT) and thermal cycling, were conducted. Then the full-load output voltage and conversion efficiency data were obtained, and the parameters’ changing regularity was analyzed. Finally, the test results show that this kind of power supply modules can satisfy the specific mission demand, and this paper provides a valuable reference for other space-borne products.

DC/DC converter; evaluation test; COTS; reliability; HALT; space application

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.12.006

TN406

A

1001-2028（2017）12-0025-07

2017-09-13

李鹏

中科院青年创新促进专项基金项目资助(No. CASYI2014135)；中科院空间应用工程与技术中心前瞻性课题资助(No. CSU-QZKT-201714)

张泽明（1978－），男，黑龙江绥化人，副研究员，从事元器件可靠性研究工作，E-mail: zhangzeming@csu.ac.cn 。

2017-11-30 14:11

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171130.1411.005.html