反熔丝FPGA器件抗辐照性能测试及方法研究

作     者：于祥苓 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：包军林;金晶晶

授予年度：2019年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 

主      题：反熔丝 FPGA 总剂量 辐照试验 测试系统 

摘      要：随着我国对空天和国防领域的日益重视,低功耗、高可靠性、高保密性的反熔丝型FPGA器件已广泛的使用在航空航天和武器装备系统中。但因为宇宙射线和电磁干扰的影响,可能导致使用在航空航天和武器领域的FPGA器件因为高能粒子的辐射而产生功能失效。为了保证反熔丝型FPGA器件具有高可靠性和一定的使用寿命,人们需要对芯片进行辐照试验来验证器件的抗辐照性能。但由于受国内辐照试验设备等条件的限制,目前对反熔丝FPGA辐照试验方法的研究还处在初级阶段,缺少足够的试验经验,没有可依据的试验标准。绝大部分的试验都是按照用户单位的要求来进行的,试验用的辐照测试系统大多试验效率不高,测试参数不够全面,数据精度较低,甚至在进行一次辐照试验之后没有能力进行第二次试验,缺少良好的可借鉴性。因此探索高精度、高效率、低成本的反熔丝FPGA抗辐照测试方法具有十分重要的意义。论文首先分析了空间环境辐照效应的产生机理。对单粒子效应、总剂量电离辐照效应、瞬时剂量率辐照效应的产生原因及可能造成的影响进行了比较深入的研究,并在此基础上以反熔丝FPGA为主分析了不同类型的FPGA电路在受到电离辐照时所产生的功能和性能指标上的差异,为探寻反熔丝FPGA抗辐照测试方法提供一定的理论支撑。论文基于反熔丝FPGA在武器装备系统上的应用,提出了在稳态总剂量和瞬时剂量率两种辐照环境下的反熔丝FPGA器件测试方法。根据反熔丝FPGA在实际应用中的性能指标需求和稳态总剂量、瞬时剂量率的试验环境条件制定了抗辐照性能测试系统的设计架构,在此基础上进行硬件与软件的开发。论文完成了基于抗辐照测试系统的PCB电路板设计,并使用汇编语言完成了下位机控制代码的编写,C++语言实现了上位机测试软件的设计。针对系统在开发阶段遇到的问题,如远距离信号的传输测量易失真问题、远距离电源电压补偿问题、瞬态辐射大电流的处理问题等,本文也提出了相应的解决方案,这在本文的反熔丝FPGA抗辐照性能测试系统的设计与实现章节进行了阐述。测试系统验证阶段,基于国产LC1020B-RHA型反熔丝FPGA分别在中国工程物理研究院和西北核技术研究所进行了150Gy的抗γ稳态总剂量试验和剂量率分别为2.4E9Gy(Si)/s、4.3E9Gy(Si)/s、4.2E9Gy(Si)/s的瞬时剂量率试验,用来检验测试系统的功能和可靠性。试验完成后,对数据进行了分析,验证了反熔丝FPGA器件受电离辐照时电流随辐照剂量变化的变化规律。试验结果表明:该系统可以在瞬时剂量率辐照试验和稳态抗γ总剂量辐照试验两种辐照环境下对反熔丝FPGA器件进行测试。解决了在辐照试验环境下长距离测试过程中难以对多个同系列不同型号的反熔丝FPGA电路进行全参数变化的实时监测和现场全参数测试的问题。系统在长距离信号传输频率下,具有较高测试精度和抗电离干扰能力。可以为反熔丝FPGA器件在进行总剂量试验和瞬时剂量率试验时提供高效、可靠的验证手段。论文所完成的测试系统满足设计要求。