结合应用的降额设计实践

如上所述，器件在电路中的应用状态将显著影响器件的SEB和SEGR敏感性。SEB和SEGR在航天器所处轨道发生的可能性直接取决于任务的时间和环境。针对器件在电子设备或电路中的具体应用，SEB和SEGR的降额设计过程就是明确器件应用可接受的风险，并确定与该风险相对应的器件降额系数。这种设计方法避免了采用在工程上受限制的严格设计方法，因为这样一来，主要由针对器件的测试计划和空间应用状态设计来确定主要风险源和其他因素，这些因素也将导致特定任务应用的风险。从结合具体应用的降额设计方法可以看出，对于任何给定的一组要求，最佳设计都是可能实现的。在具体设计中，由于一些要求受到一定限制，因此在降额和辐射容忍度之间做出权衡决定了降额设计需求。同样，这种方法还必须要求分析飞行设计，以确定动态和稳态应用中每个器件具体的部件应力（电压、电流、功率、温度等）。器件应力将根据程序降额标准编制索引，设计中可参考相关标准。如果计划降额标准提供的信息不足，或者认为数据不适用，则必须增加试验测试计划费用。简而言之，具体设计方法需要基于确定任务应用的最大可承受风险，并定制测试和设计以反映该风险。

图6-34给出了一个结合具体应用开展降额设计的过程。从图中可以看出，计算分析主要包括失效风险故障率计算的输入模块以及故障概率计算过程。关于此计算模块的最重要要求是，每个模块输入必须具有最小的不确定性，该不确定性将通过故障概率计算体现，并最终限制任何降额系数选择的风险评估精度。首先，环境计算是输入，一般来说，设计人员或器件测试人员无论执行任何操作，需要专业计算来支撑。我们知道，无论任务在太阳系中的哪个位置以及在太阳周期内何时运行，任务所遇到的重离子通量的不确定性都可能会在数量级上变化，这种不确定性将导致器件故障率的不确定性。从6.1节的讨论可知，最佳预测数值和最坏情况发生率计算之间的差异至少是一个数量级，这主要是由于环境的不确定性所致。

图6-34　功率MOSFET器件失效风险概率计算过程示意图

降额设计涉及的“任务应用”（见图6-34所示）输入通常具有最小的不确定性。例如，经常使用功率MOSFET的电感性负载电源将改变器件可承受的最大VDS以支持更高的负载，所以必须知道任务所需的负载范围，才能将准确的输入数据纳入故障率计算中。这种影响转化为实际电路和任务操作参数的不确定性，这些不确定性将传播到故障率（或失效率）计算中。通常，测试人员无法轻易获得可能使器件承受过大压力的紧急情况，因此可能需要仔细评估风险与应用之间的关系。即使测试人员做出一切保证消除测试数据中的不确定性，SEE测试数据也将仅由于部件之间的差异而具有最小的不确定性。(www.xing528.com)

下面是应用特定降额设计的一个例子。如果要求器件在5年的任务中具有95%的成功率，则设计必须使得最终的失效概率小于5%。设计中可以选择1%的故障，以解决上述环境的不确定性。相关的信息可用于确定所需风险的最大容许率，该速率是考虑到可靠性计算的输出，因此确定将导致所需速率的具体器件条件的逆过程并不精确，输入也不唯一。也就是说，功率MOSFET器件不同的工作条件和测试数据可能会导致相同的故障率。最直接的方法是通过反复试验，这就意味着其空间飞行时的失效率是从可接受的工作条件的测试集中计算得出。如果计算得出的失效率是可以容忍的，则可以接受或改进工作条件。当然，测试数据必须与器件工作条件相关。同样，可以计算出具有95%的概率，穿过敏感区域的最高重离子LET数值。因此，测试应采用与任务应用相同的环境LET级别，在具体电路配置上进行试验评估来获取数据。在确定功率MOSFET器件发生SEB和SEGR阈值电压时，可以通过增加被测器件的样本数目以提高精度，从而降低任务风险，进一步减少设计裕度。在将测试数据映射到应用风险时，采用精确的应用电路进行测试，也可以进一步降低设计裕度。

但是，应该指出的是，SEE测试数据、任务应用、辐射环境和故障率之间存在着相互依存关系，因此应仔细计划任务应用的工程设计。同样要注意，针对特定应用程序的测试，消除了将数据用于许多其他应用程序的风险，而为降低风险进行的此类试验测试要求，将招致人力和预算成本增大。但是，对包含辐射影响的任务设计采用这种折中降额设计为航天器工程设计所常常采用，是一种针对辐射影响的典型设计方法。简而言之，这种降额方法可以免除其他方法所产生的大部分多余设计余量，但需求则更多，费用昂贵（时间和金钱都多），也需要采用严格的设计方法。