面向機載離散量芯片接口防雷需求的TVS 結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計

摘 要：隨著航空技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備設(shè)施已廣泛應(yīng)用于機載系統(tǒng)中，而離散量信號作為飛機航電系統(tǒng)的最重要的信號之一，應(yīng)用在機電控制信號、設(shè)備狀態(tài)指示信號等多種場景。離散量信號具有產(chǎn)生電路簡單、抗干擾能力強的特性，使其非常適合應(yīng)用于機上電磁環(huán)境惡劣位置的信號傳輸，但這對機載離散量處理芯片的可靠性也提出了極高的要求，因此雷電防護便成為機載離散量處理芯片設(shè)計過程中的必要考慮因素。針對機載離散量處理芯片信號接口的雷電防護要求，本文提出了一種瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）陣列結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)工藝設(shè)計，用作機載離散量處理芯片的防雷擊器件，經(jīng)測試，該TVS電流能力達到5.26A，且可承受±11kV的靜電放電（ESD）應(yīng)力，具有較強的浪涌和雷電保護能力，因此可以為機載離散量處理芯片中的高速數(shù)據(jù)接口提供強大的雷擊和ESD保護，具有較強的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：機載系統(tǒng)； 離散量； 雷電防護； 瞬態(tài)電壓抑制器； 高速數(shù)據(jù)接口

中圖分類號：TN406 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.012

在飛機的航電系統(tǒng)中，離散量信號被廣泛應(yīng)用于傳輸機電控制、設(shè)備狀態(tài)指示等，具有產(chǎn)生電路簡單、抗干擾能力強的優(yōu)點，是航電系統(tǒng)中最重要的信號之一。因此離散量信號被大量應(yīng)用于飛機上電磁環(huán)境最惡劣位置的信號傳輸，這對離散量處理芯片的可靠性提出了極高的要求。雷電作為自然界的普遍現(xiàn)象，其能量和破壞力極強，對離散量信號的傳輸以及飛行安全有著嚴重的威脅[1-6]。

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是最常用的離散量處理芯片接口的雷電保護器件。TVS是一種二極管類型的用來保護芯片的高效能防護分立器件，具有響應(yīng)速度快、漏電小、瞬態(tài)功率高、體積小等特點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機電系統(tǒng)、電源設(shè)備、電磁干擾抑制、輸入輸出接口、通信設(shè)備、繼電器等各個領(lǐng)域的過壓保護。當(dāng)TVS兩端受到巨大的瞬態(tài)浪涌電流或電壓的沖擊時，能通過雪崩擊穿使自身原本的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，吸收高達數(shù)千瓦的瞬態(tài)脈沖功率，并將兩端的電壓鉗位在一個較為安全的預(yù)設(shè)值，有效地保護電子系統(tǒng)中的精密元器件免受各種外界或內(nèi)部過壓的損傷或損毀[7-14]。

目前，國內(nèi)外對機載系統(tǒng)的防雷設(shè)計的相關(guān)研究較為深入，美國自20 世紀60 年代率先開展飛機雷電防護試驗研究工作，Littlefuse、安森美等國外公司近年來不斷推出超低電容防雷產(chǎn)品，國內(nèi)也有越來越多的研究所、軍工企業(yè)和高校設(shè)立專門防雷團隊開展航空電子領(lǐng)域雷電防護研究，進行片內(nèi)外大功率防雷器件的設(shè)計制造[15-18]。片外分立式TVS會進行專門制造工藝設(shè)計，無須考慮是否可集成化的問題，而對機載芯片的雷電防護設(shè)計屬于片內(nèi)電路設(shè)計，必須考慮可集成情況。因此，本文提出一種基于TVS的全新工藝和模塊設(shè)計，在現(xiàn)有成熟的集成工藝技術(shù)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，實現(xiàn)了低電容、多接口保護的全集成TVS陣列模塊防雷需求，用于保護機載芯片在雷電惡劣環(huán)境下高頻信號傳輸?shù)耐暾浴?/p>