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DC-DC变换器由于其尺寸小、效率高的特点,在电源设备中得到广泛应用,军事上亦有很大的需求。战略武器系统应用中的DC-DC变换器需要强的抗瞬态辐射能力,采用体硅电路制造的DC-DC变换器,因存在PNPN结构引发锁定效应而产生过大的瞬态光电流,无法满足抗辐射的要求。SOS-CMOS工艺由于其优良的介质隔离特性,完全消除了体硅CMOS电路的锁定效应,具有良好的抗瞬态辐射性能,适于制造抗瞬态辐射能力强的DC-DC变换器。
本文首先回顾了DC-DC变换器的基本理论,介绍了DC-DC变换器的基本拓扑和控制方式。由于DC-DC变换器强的非线性,对其应用一般解析方法较为困难,论文介绍了DC-DC变换器目前主要建模方法,特别对其中的状态空间平均法详细说明。之后,利用实验方法,对瞬态辐射环境下DC-DC变换器出现的问题加以说明。
论文介绍了SOS-CMOS器件的基本特性,分析了SOS-CMOS器件具有强的抗辐射性能的原因。并对基于SOS-CMOS工艺的比较器构建的DC-DC变换器进行辐射试验,证明利用SOS-CMOS实现抗瞬态辐射的DC-DC变换器的可行性。由于SOS-CMOS器件存在Kink效应,会导致电路性能的退化。为此,论文介绍了在工艺和电路上采用体接触,共源共栅等以抑制Kink效应,进行SOS-CMOS模拟电路设计的一般方法。
为实现SOS-CMOS工艺的DC-DC变换器控制电路,论文利用状态空间平均法分析了为抗辐照要求所选择的隔离反馈式正激变换器的稳定性问题。在子电路模块设计上,利用之前对SOS-CMOS电路设计问题的分析,设计完成了误差放大器,隔离反馈调制单元,锯齿波发生器、PWM比较器,输出驱动单元等,并对版图工具的定制加以介绍。
高压开关MOS器件是DC-DC变换器的重要部分,也是需辐射加固的对象。论文研究了基于SOS-CMOS工艺的高压开关MOS器件的耐压结构,介绍了SOS-CMOS器件中存在的寄生三极管效应对器件耐压和抗辐射性能的影响,并利用源区轻掺杂的结构对其加以抑制。
论文最后总结了完成的设计工作,并进一步讨论了今后工作的方向。