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

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(jī)載系統(tǒng)中，而離散量信號(hào)作為飛機(jī)航電系統(tǒng)的最重要的信號(hào)之一，應(yīng)用在機(jī)電控制信號(hào)、設(shè)備狀態(tài)指示信號(hào)等多種場景。離散量信號(hào)具有產(chǎn)生電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)的特性，使其非常適合應(yīng)用于機(jī)上電磁環(huán)境惡劣位置的信號(hào)傳輸，但這對(duì)機(jī)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(hù)便成為機(jī)載離散量處理芯片設(shè)計(jì)過程中的必要考慮因素。針對(duì)機(jī)載離散量處理芯片信號(hào)接口的雷電防護(hù)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(jì)，用作機(jī)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(dá)到5.26A，且可承受±11kV的靜電放電（ESD）應(yīng)力，具有較強(qiáng)的浪涌和雷電保護(hù)能力，因此可以為機(jī)載離散量處理芯片中的高速數(shù)據(jù)接口提供強(qiáng)大的雷擊和ESD保護(hù)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)：TN406 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.012

在飛機(jī)的航電系統(tǒng)中，離散量信號(hào)被廣泛應(yīng)用于傳輸機(jī)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是航電系統(tǒng)中最重要的信號(hào)之一。因此離散量信號(hào)被大量應(yīng)用于飛機(jī)上電磁環(huán)境最惡劣位置的信號(hào)傳輸，這對(duì)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(qiáng)，對(duì)離散量信號(hào)的傳輸以及飛行安全有著嚴(yán)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(hù)器件。TVS是一種二極管類型的用來保護(hù)芯片的高效能防護(hù)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(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)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(gè)領(lǐng)域的過壓保護(hù)。當(dāng)TVS兩端受到巨大的瞬態(tài)浪涌電流或電壓的沖擊時(shí)，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(dá)數(shù)千瓦的瞬態(tài)脈沖功率，并將兩端的電壓鉗位在一個(gè)較為安全的預(yù)設(shè)值，有效地保護(hù)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(duì)機(jī)載系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)的相關(guān)研究較為深入，美國自20 世紀(jì)60 年代率先開展飛機(jī)雷電防護(hù)試驗(yàn)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(tuán)隊(duì)開展航空電子領(lǐng)域雷電防護(hù)研究，進(jìn)行片內(nèi)外大功率防雷器件的設(shè)計(jì)制造[15-18]。片外分立式TVS會(huì)進(jìn)行專門制造工藝設(shè)計(jì)，無須考慮是否可集成化的問題，而對(duì)機(jī)載芯片的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)屬于片內(nèi)電路設(shè)計(jì)，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(jì)，在現(xiàn)有成熟的集成工藝技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低電容、多接口保護(hù)的全集成TVS陣列模塊防雷需求，用于保護(hù)機(jī)載芯片在雷電惡劣環(huán)境下高頻信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?/p>