应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路
技术领域
1.本发明属于开关电源抗辐射加固技术领域，涉及一种应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路。
背景技术：2.dc-dc转换器在航天电力系统的电力系统中起着至关重要的作用。dc-dc转换器通常用于从直流输入源产生具有高功率效率的稳压直流输出电压，辐照引起的输出电压的任何变化都可能影响由转换器供电的其他电路的运行。随着深亚微米工艺的发展，因单粒子瞬态脉冲(set，single event transient)引起的故障率大大提升。set引起了人们的高度关注。目前国内在宇航用抗辐照集成电路研究领域主要集中在工艺的抗辐照加固技术和数字集成电路的辐照加固技术，对抗辐照模拟集成电路研究较少。
3.误差放大器(ea，error amplifier)作为dc-dc转换器电压环路的核心模块之一，将反馈电压v
fb
与基准电压v
ref
的差值放大，其输出作为pwm比较器的反向端输入信号，同时，ea为环路提供足够的增益，保证反馈调节的精度。当重离子或高能电子轰击ea的输出节点并引发模拟单粒子瞬态脉冲(aset，analog single event transient)时，会导致该节点产生较大的瞬态电压变化，并且由于频率补偿模块大电容cc而导致恢复较慢，导致pwm输出宽窄脉冲，进而导致占空比d发生改变，导致输出电压v
out
纹波电压增加或输出电压v
out
出现较大的波动。
4.传统版图级或工艺级加固方案的加固效果在电路级设计时不能提供良好的可靠性评估，对电路设计带来极大的困扰，目前迫切的需要从电路级引入加固方案对电路的抗辐照能力进行评估。
技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，解决了dc-dc转换器电压环路中ea输出节点由于aset影响导致输出电压v
out
纹波电压增大或输出电压v
out
波动的问题。
6.本发明所采用的技术方案是，应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，包括rhbd电路，rhbd电路正向端依次连接采样电容cs上极板和采样开关s1，采样开关s1的另一端连接到模拟buffer的输出端，buffer的正向输入端直接连接到误差放大器ea的输出节点，rhbd电路输出端直接与误差放大器ea输出端相连，control电路从误差放大器ea采集负载瞬态信息，输出en信号对rhbd电路实现控制。
7.本发明的特点还在于：
8.control电路包括电流镜i，电流镜i连接电流镜ii，电流镜i和电流镜ii之间形成电流减法电路i；
9.还包括电流镜iii，电流镜iii连接电流镜iv，电流镜iii与电流镜iv之间形成电流减法电路ii；
10.电流镜ii通过反相器inv1、电流镜iv通过反相器inv2连接二输入同或门xnor。
11.电流镜i包括mos管m1，mos管m1的源端接地，mos管m1的漏极与mos管m2的源极相连，mos管m2的漏极即为误差放大器ea的输出节点，mos管m1、m2为误差放大器ea输出支路下拉支路，mos管m3、mos管m4的栅极分别与mos管m1、mos管m2的栅极相连，用于复制下拉支路电流，mos管m3的源极接地漏极与mos管m4的源极连接。
12.mos管m3、mos管m4组成的共源共栅级电路作为电流减法电路i的输入信号，mos管m4的漏极与偏置电流i
bias1
相连接，mos管m5、mos管m6组成的共源共栅级电路作为电流减法电路i的输出信号；mos管m5的栅极、漏极与m4的漏极相连，mos管m6的栅极、漏极与mos管m5的源极相连，mos管m6源极接vdd。
13.电流镜ii包括mos管m7和mos管m8，mos管m7、m8的栅极分别与mos管m5、m6的栅极相连，mos管m8的源极接vdd、mos管m8的漏极与mos管m7的源极相连，mos管m7的漏极作为电流镜ii的输出与基准电流i
ref1
和反相器inv1的输入相连。
14.电流镜iii包括mos管m1’
和mos管m2’
，mos管m1’
、m2’
为误差放大器ea输出支路上拉支路，mos管m2’
的源极接vdd，mos管m2’
的漏极与mos管m1’
的源极相连，mos管m1’
的漏极即为误差放大器ea的输出节点，mos管m3’
、m4’
的栅极分别与mos管m1’
、m2’
的栅极相连，用于复制上拉支路电流，mos管m4’
的源极接vdd，漏极与mos管m3’
的源端连接。
15.mos管m3’
、m4’
组成的共源共栅级电路作为电流减法电路ii的输入信号，mos管m3’
的漏极与偏置电流i
bias2
的输出相连接，mos管m5’
、mos管m6’
组成的共源共栅级电路作为电流减法电路ii的输出信号，mos管m6’
的栅极、漏极与m3’
的漏极相连，mos管m5’
的栅极、漏极与mos管m6’
的源极相连，mos管m5’
源极接地。
16.电流镜iv包括mos管m7’
、m8’
，mos管m7’
、m8’
的栅极分别与mos管m5’
、m6’
的栅极相连，mos管m7’
的源极接地、mos管m7’
的漏极与mos管m8’
的源极相连，mos管m8’
的漏极作为电流镜ii的输出与基准电流i
ref2
和反相器inv2的输入相连；
17.反相器inv1和inv2的输出分别与xnor门的a、b两个输入端相连，xnor门的输出端输出en控制信号控制rhbd电路。
18.本发明的有益效果是,本发明提供的一种应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，加固电路结构简单，被加固电路与加固电路都实现了对单粒子瞬态效应的抑制。同时实现了负载瞬态与单粒子瞬态的区分，避免了加固电路的误操作。与传统的版图级加固方案相比，本发明可在电路原理图设计阶段就对电路的抗辐照能力进行评估与设计。同时解决了dc-dc转换器电压环路中ea输出节点由于aset影响导致输出电压v
out
纹波电压增大或输出电压v
out
波动的问题，加快了dc-dc转换器环路受单粒子扰动后的恢复时间。
附图说明
19.图1为本发明应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路结构示意图。
20.图2为本发明应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路的控制电路示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
22.本发明应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，如图1所示，包括rhbd电路，
rhbd电路正向端依次连接采样电容cs上极板和采样开关s1的一端，采样电容cs下极板接地，采样开关s1的另一端连接到模拟buffer的输出端，buffer的正向输入端直接连接到误差放大器ea的输出节点，rhbd电路输出端直接与误差放大器ea输出端相连，提供充放电电路。误差放大器ea与模拟buffer之间连接有电阻rc，电阻rc连接有补偿电容cc；control电路从误差放大器ea采集负载瞬态信息，输出en信号对rhbd电路实现控制。
23.如图2所示，control电路包括电流镜i、电流镜ii、电流镜iii、电流镜iv、电流减法电路i、电流减法电路ii、偏置电流i
bias1
、i
bias2
、基准电流i
ref1
、基准电流i
ref2
、反相器inv1、反相器inv2和二输入同或门xnor。
24.电流镜i包括mos管m1～m4，m1、m2为误差放大器ea输出支路下拉支路，mos管m1的源极接地，mos管m1的漏极与mos管m2的源极相连，mos管m2的漏极即为误差放大器ea的输出节点，mos管m3、mos管m4的栅极分别与mos管m1、mos管m2的栅极相连，用于复制下拉支路电流，其中，mos管m3的源极接地漏极与电流管m4的源极连接。
25.mos管m3、mos管m4组成的共源共栅级电路作为电流减法电路i的输入信号，mos管m4的漏级与偏置电流i
bias1
的输出相连接，mos管m5、mos管m6组成的共源共栅级电路作为电流减法电路i的输出信号；
26.mos管m5的栅极、漏极与m4的漏极相连，mos管m6的栅极、漏极与mos管m5的源极相连，mos管m6源极接vdd。
27.mos管m5～m8组成电流镜ii，mos管m7、m8的栅极分别与mos管m5、m6的栅极相连，mos管m8的源极接vdd、mos管m8的漏极与mos管m7的源极相连，mos管m7的漏极作为电流镜ii的输出与基准电流i
ref1
和反相器inv1的输入相连。
28.电流镜iii包括mos管m1’
、mos管m2’
、mos管m3’
、mos管m4’
，mos管m1’
、mos管m2’
为误差放大器ea输出支路上拉支路，mos管m2’
的源极接vdd，mos管m2’
的漏极与m1’
的源端相连，mos管m1’
的漏极即为误差放大器ea的输出节点，mos管m3’
、mos管m4’
的栅极分别与mos管m1’
、m2’
的栅极相连，用于复制上拉支路电流，其中，mos管m4’
的源极接vdd漏极与mos管m3’
的源极连接。
29.mos管m3’
、mos管m4’
组成的共源共栅级电路作为电流减法电路ii的输入信号，mos管m3’
的漏极与偏置电流i
bias2
的输出相连接，mos管m5’
、m6’
组成的共源共栅级电路作为电流减法电路ii的输出信号，mos管m6’
的栅极、漏端极与m3’
的漏极相连，mos管m5’
的栅极、漏极与mos管m6’
的源极相连，mos管m5’
源极接地。
30.mos管m5’
～m8’
组成电流镜iv，mos管m7’
、m8’
的栅极分别与电流管m5’
、m6’
的栅极相连，mos管m7’
的源极接地、mos管m7’
的漏极与mos管m8’
的源极相连，mos管m8’
的漏极作为电流镜ii的输出与基准电流i
ref2
和反相器inv2的输入相连。
31.反相器inv1和inv2的输出分别与xnor门的a、b两个输入端相连，xnor门的输出端输出en控制信号控制rhbd电路。
32.本发明利用模拟buffer隔离ea输出级和采样电路。利用采样开关s1、采样电容cs对ea输出vc进行采样，将采样信号作为rhbd电路正向端输入信号，rhbd电路反向端与ea输出端直接相连，对ea输出节点进行实时单粒子检测，通过比较二者大小，对ea输出节点进行快速充放电操作。当rhbd电路输出端与ea输出端直接相连时，可以实现对单粒子瞬态效应的检测与抑制。
33.本发明图2中的电路检测负载电流瞬态过程。m1、m2、m1’
、m2’
为误差放大器的输出级，m3、m4构成的共源共栅级用于复制流过m1、m2的电流，m4的漏极与偏置电流i
bias1
和m5的栅、漏极相连，m5、m6构成的共源共栅级作为电流镜ii的镜像源，m7、m8构成的共源共栅级用于复制流经m5、m6的电流并放大，m7的漏极与基准电流i
ref1
和反相器inv1的输入端连接，反相器inv1的输出端连接到xnor的a输入端；m3’
、m4’
构成的共源共栅级用于复制流过m1’
、m2’
的电流，m3’
的漏极与偏置电流i
bias2
和m6’
的栅、漏极相连，m5’
、m6’
构成的共源共栅级作为电流镜ii的镜像源，m7’
、m8’
构成的共源共栅级用于复制流经m5’
、m6’
的电流并放大，m8’
的漏极与基准电流i
ref2
和反相器inv2的输入端连接，反相器ii的输出端连接到xnor的b输入端；xnor输出en信号用于控制rhbd电路。
34.利用电流镜i复制ea输出节点所在支路下拉电流，即流经m1、m2的电流，作为被减数输入到电流减法电路1，即流经m4、m3的电流i3，利用电流镜2放大电流减法电路1的结果i4，利用反相器inv1对电流镜ii的输出与基准电流i
ref1
的比较结果整形。利用电流镜iii复制ea输出节点所在支路上拉电流，即流经m2’
、m1’
的电流，作为被减数输入到电流减法电路ii，即流经m4’
、m3’
的电流i3’
，利用电流镜iv放大电流减法电路ii的结果i4’
，利用反相器inv2对电流镜iv的输出与基准电流i
ref2
的比较结果整形，其结果输入到图2中的xnor门的b端。
35.当系统稳定时，误差放大器的输出共模电平稳定，输出节点所在支路电流i1＝i2，电流镜i复制的电流i3＝i1，且小于i
bias1
，i
bias1
为误差放大器输出支路偏置电流，为满足实际应用要求，该电流略大于误差放大器偏置电流，此时，电流减法电路输出为0，即i4＝0，电流镜ii复制结果i5＝0，反相器inv1输入端被iref1拉低，反相器inv1输出逻辑“1”；电流镜iii复制的电流i3’
＝i2，且小于i
bias2
，i
bias2
为误差放大器输出支路偏置电流，为满足实际应用要求，该电流略大于误差放大器偏置电流，此时电流减法电路输出为0，即i4’
＝0，电流镜iv复制结果i5’
＝0，反相器inv2输入端被iref2拉高，反相器inv2输出逻辑“0”；反相器inv1、反相器inv2的输出信号a、b经过xnor门运算后输出逻辑“0”，控制rhbd电路正常工作。
36.当系统负载电流由大负载跳变至轻负载时，误差放大器输出电压vc减小，产生从补偿电容cc经m2、m1到gnd的放电电流i
tran1
，使下拉电流增大，电流镜i的复制电流i3＝i1+i
tran1
，电流减法器i的被减量i3超过i
bias1
，i4增大，i4＝i
3-i
bias
，电流镜ii将i4放大m倍后得到i5＝m i4＝m(i
3-i
bias1
)，并i5此时大于i
ref1
，反相器inv1输入端被拉高，反相器inv1输出逻辑“0”，反相器inv2输出逻辑“0”，xnor门输出逻辑“1”，关断rhbd电路。
37.当系统负载电流由轻负载跳变至大负载时，误差放大器输出电压vc增大，产生从vdd经m2’
、m1’
到ea补偿电容cc的充电电流i
tran2
，使上拉电流增大，电流镜iii的复制电流i3’
＝i1+i
tran2
，电流减法器ii的被减量i3’
超过i
bias
，i4’
增大，i4’
＝i3’‑ibias
，电流镜iv将i4’
放大m倍后得到i5’
＝mi4’
＝m(i3’‑ibias
)，并i5’
此时大于i
ref2
，反相器inv2输入端被拉低，反相器inv2输出逻辑“1”，反相器1输出逻辑“1”，xnor门输出逻辑“1”，关断rhbd电路。
38.当系统正常工作时，控制电路输出低电平，控制加固电路正常工作，检测单粒子瞬态效应。
39.当系统发生负载瞬态时，若由大负载跳变至轻负载，误差放大器产生由补偿电容cc经m2、m1到gnd的放电通路，vc减小，误差放大器下拉电流增大，电流镜i输出电流增大，电流减法电路i输出电流增大，电流镜ii输出电流增大，将反相器inv1的输入端拉至高电平，反相器inv1输出逻辑“0”，经同或运算后，控制电路输出高电平，控制加固电路关闭，避免加
固电路误操作。
40.当系统发生负载瞬态时，若由轻负载跳变至大负载，误差放大器产生由vdd经m2’
、m1’
到补偿电容cc的充电通路，vc增大，误差放大器上拉电流增大，电流镜iii输出电流增大，电流减法电路ii输出电流增大，电流镜iv输出电流增大，将反相器inv2的输入端拉至低电平，反相器inv2输出逻辑“1”，经同或运算后，控制电路输出高电平，控制加固电路关闭，避免加固电路误操作。
41.通过上述方式，本发明的误差放大器单粒子瞬态脉冲检测与加固电路，能够区分单粒子瞬态与负载瞬态，进而避免了所提加固电路将负载瞬态检测为单粒子瞬态的误操作。
技术特征：1.应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：包括rhbd电路，rhbd电路正向端依次连接采样电容c
s
上极板和采样开关s1，采样开关s1的另一端连接到模拟buffer的输出端，buffer的正向输入端直接连接到误差放大器ea的输出节点，rhbd电路输出端直接与误差放大器ea输出端相连，control电路从误差放大器ea采集负载瞬态信息，输出en信号对rhbd电路实现控制。2.根据权利要求1所述的应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：所述control电路包括电流镜i，电流镜i连接电流镜ii，电流镜i和电流镜ii之间形成电流减法电路i；还包括电流镜iii，电流镜iii连接电流镜iv，电流镜iii与电流镜iv之间形成电流减法电路ii；电流镜ii通过反相器inv1、电流镜iv通过反相器inv2连接二输入同或门xnor。3.根据权利要求2所述的应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：所述电流镜i包括mos管m1，mos管m1的源端接地，mos管m1的漏极与mos管m2的源极相连，mos管m2的漏极即为误差放大器ea的输出节点，mos管m1、m2为误差放大器ea输出支路下拉支路，mos管m3、mos管m4的栅极分别与mos管m1、mos管m2的栅极相连，用于复制下拉支路电流，mos管m3的源极接地漏极与mos管m4的源极连接。4.根据权利要求3所述的应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：所述mos管m3、mos管m4组成的共源共栅级电路作为电流减法电路i的输入信号，mos管m4的漏极与偏置电流i
bias1
相连接，mos管m5、mos管m6组成的共源共栅级电路作为电流减法电路i的输出信号；mos管m5的栅极、漏极与m4的漏极相连，mos管m6的栅极、漏极与mos管m5的源极相连，mos管m6源极接vdd。5.根据权利要求4所述的应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：所述电流镜ii包括mos管m7和mos管m8，mos管m7、m8的栅极分别与mos管m5、m6的栅极相连，mos管m8的源极接vdd、mos管m8的漏极与mos管m7的源极相连，mos管m7的漏极作为电流镜ii的输出与基准电流i
ref1
和反相器inv1的输入相连。6.根据权利要求2所述的应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：所述电流镜iii包括mos管m1’
和mos管m2’
，mos管m1’
、m2’
为误差放大器ea输出支路上拉支路，mos管m2’
的源极接vdd，mos管m2’
的漏极与mos管m1’
的源极相连，mos管m1’
的漏极即为误差放大器ea的输出节点，mos管m3’
、m4’
的栅极分别与mos管m1’
、m2’
的栅极相连，用于复制上拉支路电流，mos管m4’
的源极接vdd，漏极与mos管m3’
的源端连接。7.根据权利要求6所述的应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：所述mos管m3’
、m4’
组成的共源共栅级电路作为电流减法电路ii的输入信号，mos管m3’
的漏极与偏置电流i
bias2
的输出相连接，mos管m5’
、mos管m6’
组成的共源共栅级电路作为电流减法电路ii的输出信号，mos管m6’
的栅极、漏极与m3’
的漏极相连，mos管m5’
的栅极、漏极与mos管m6’
的源极相连，mos管m5’
源极接地。8.根据权利要求7所述的应用于dc-dc转换器的单粒子瞬态加固电路，其特征在于：所述电流镜iv包括mos管m7’
、m8’
，mos管m7’
、m8’
的栅极分别与mos管m5’
、m6’
的栅极相连，mos管m7’
的源极接地、mos管m7’
的漏极与mos管m8’
的源极相连，mos管m8’
的漏极作为电流镜ii的输出与基准电流i
ref2
和反相器inv2的输入相连；
反相器inv1和inv2的输出分别与xnor门的a、b两个输入端相连，xnor门的输出端输出en控制信号控制rhbd电路。
技术总结本发明公开了一种应用于DC-DC转换器的单粒子瞬态加固电路，包括RHBD电路，RHBD电路正向端依次连接采样电容C
技术研发人员：郭仲杰 刘楠 卢沪 林涛 邱子忆 李梦丽
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2022.08.08
技术公布日：2022/12/2
