專利名稱：抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件及其電路系統(tǒng)的保護(hù)電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種防高功率電磁脈沖干擾的防護(hù)電路。
背景技術(shù)：
基于現(xiàn)代軍事平臺(tái)上密集封裝的微電子設(shè)備，以及電磁脈沖(Electromagnetic Pulse, EMP)可以實(shí)現(xiàn)非核性，各國軍方認(rèn)為這種EMP效應(yīng)有著重要的軍用價(jià)值，開始競相 發(fā)展電磁脈沖武器。電磁脈沖武器是一種新式的信息系統(tǒng)攻擊武器，它是以光速將作用能 量射向敵方，強(qiáng)大的電磁脈沖通過電纜、天線或接線柱等途徑進(jìn)入電子系統(tǒng)及設(shè)備，產(chǎn)生很 高的瞬時(shí)感應(yīng)電壓和電流，將電路擊穿甚至將電子系統(tǒng)及設(shè)備燒毀，致使敵方C4ISR系統(tǒng)、 防空系統(tǒng)及其他軍用電子裝備癱瘓。如今，電子對抗能力的高低已經(jīng)成為決定戰(zhàn)爭進(jìn)程和 勝負(fù)的重要因素，具有大規(guī)模電子殺傷能力的電磁脈沖(EMP)武器的使用已經(jīng)成為電子戰(zhàn) 的主要手段，因此研究一種可以抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路變得尤為重要。使用常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生的EMP特性為定向性、相應(yīng)的短作用距離和很寬的電磁頻譜 范圍。以光速傳輸?shù)腅MP的寬帶特性的防御極其困難又成本較高，現(xiàn)有EMP武器的主要對 抗措施是電磁屏蔽，就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧?，或用既?dǎo)電又導(dǎo)磁的材料，制成屏蔽體，將電 磁能量限制在一定的空間范圍內(nèi)，使電磁能量從屏蔽體的一面?zhèn)鬟f到另一面時(shí)受到很大削 弱。因?yàn)镋MP具有極寬的頻段，設(shè)計(jì)師必須對低、中、高頻段進(jìn)行屏蔽，并且必須在大量進(jìn) 入電系統(tǒng)的導(dǎo)電通路處安裝保護(hù)濾波器，如電源線、傳輸線、天線的輸入端。接地、濾波器設(shè) 計(jì)、或屏蔽形狀有一處錯(cuò)誤就足以使破壞性的EMP進(jìn)入，整個(gè)系統(tǒng)可能被破壞甚至被摧毀。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有EMP防護(hù)技術(shù)的不足，提供一種抗高 功率電磁脈沖干擾的保護(hù)電路，能夠?qū)Ⅰ詈现岭娮釉O(shè)備的大電流快速泄放到地，并將被保 護(hù)端口的電壓箝位在合適的值。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，包括大電流開關(guān) 電路、保護(hù)電路、觸發(fā)電路；所述觸發(fā)電路的輸入端連接被保護(hù)端口，在電磁脈沖干擾時(shí)，觸 發(fā)大電流開關(guān)電路導(dǎo)通；所述大電流開關(guān)電路的第一端口連接保護(hù)電路的輸出端，第二端 口連接觸發(fā)電路的輸出端，第三端口接地，當(dāng)開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，可使大電流泄放到地；所述 保護(hù)電路輸入端連接被保護(hù)端口，用于保護(hù)開關(guān)電路。本實(shí)用新型的更詳細(xì)的技術(shù)方案是所述抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路還包括反向保護(hù)電路，一端和被保護(hù)端口相 連，另一端接地。所述大電流開關(guān)電路為大電流高速開關(guān)電路。所述大電流開關(guān)電路是由若干個(gè)并聯(lián)的達(dá)林頓復(fù)合晶體管或者雙極性晶體管構(gòu) 成的高速開關(guān)電路，大電流開關(guān)電路的第一、第二和第三端口分別為晶體管的集電極、基極和發(fā)射極。所述保護(hù)電路由若干個(gè)并聯(lián)的二極管構(gòu)成，二極管的正極為保護(hù)電路的輸入端， 負(fù)極為保護(hù)電路的輸出端。所述觸發(fā)電路中，由若干二極管串聯(lián)構(gòu)成的二極管串Dl和二極管D2、電阻Rl依次串聯(lián)并接地，二極管串Dl的正極為觸發(fā)電路的輸入端，二極管串Dl的負(fù)極連接二極管D2 的正極，二極管D2的正極為觸發(fā)電路的輸出端。所述反向保護(hù)電路由若干并聯(lián)的二極管或者并聯(lián)的二極管串構(gòu)成，二極管的正極 接地，負(fù)極與被保護(hù)端口相連。所述電阻Rl為可調(diào)電阻，用以調(diào)整箝位電壓和開關(guān)電路的開啟電壓。所述觸發(fā)電路中二極管串Dl的二極管個(gè)數(shù)由被保護(hù)端口的箝位電壓決定。一個(gè)被保護(hù)端口可以連接至少一個(gè)所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1.能夠?qū)Ⅰ詈现岭娮釉O(shè)備的大電流快速泄放到地，并將電壓箝位在合適的值。2.本實(shí)用新型用途廣泛，可以用于電子對抗系統(tǒng)、智能武器系統(tǒng)、廣播衛(wèi)星星載設(shè) 備系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)等電子設(shè)備中信號(hào)輸入輸出端口和集成電路各端口的保 護(hù)。特別針對雙線甚至多線傳輸線，干擾信號(hào)主要為共模信號(hào)，不論信號(hào)極性是正是負(fù)，都 能將過電流泄放至地，以保護(hù)武器設(shè)備和其他軍用或民用電子設(shè)備與系統(tǒng)在EMP的攻擊下 不被破壞或摧毀。3.通過可調(diào)電阻可以調(diào)整箝位電壓和開關(guān)電路的開啟電壓值。以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述

圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例的大電流開關(guān)電路中達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為實(shí)施例的大電流開關(guān)電路中另一單個(gè)達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例的觸發(fā)電路圖；圖5為本實(shí)用新型的實(shí)施例的保護(hù)電路圖；圖6為本實(shí)用新型的實(shí)施例的反向保護(hù)電路圖；圖7為本實(shí)用新型的用于箝位電壓為9V的保護(hù)電路實(shí)施例的泄放電流和電壓仿 真圖；圖8為實(shí)施例構(gòu)成的集成雙端口防護(hù)電路保護(hù)雙端口的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為實(shí)施例構(gòu)成的集成雙端口防護(hù)電路保護(hù)單端口的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1大電流開關(guān)電路；101開關(guān)電路的第一端口 ；102開關(guān)電路的第二端口 ； 103開關(guān)電路的第三端口 ；2保護(hù)電路；201保護(hù)電路的輸入端；202保護(hù)電路的輸出端；3觸 發(fā)電路；301觸發(fā)電路的輸入端；302觸發(fā)電路的輸出端；4反向保護(hù)電路；5 二極管串Dl ；6 二極管D2 ；7電阻Rl ；8被保護(hù)端口。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 如圖1所示，本實(shí)施例的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，包括一套大電流開關(guān)電路1、保護(hù)電路2、觸發(fā)電路3。觸發(fā)電路3的輸入端連接被保護(hù)端口，在電磁脈沖干擾時(shí)，觸發(fā)大電流開關(guān)電路1導(dǎo)通。大電流開關(guān)電路1的第一端口連接保護(hù)電路2的輸 出端，第二端口連接觸發(fā)電路3的輸出端，第三端口接地，當(dāng)開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，可使大電流 泄放到地。保護(hù)電路2輸入端連接被保護(hù)端口，用于保護(hù)開關(guān)電路1。本實(shí)施例的防護(hù)電路 還包括反向保護(hù)電路4，一端和被保護(hù)端口相連，另一端接地。本實(shí)用新型中提到的所有接 地均指接實(shí)地，而非信號(hào)地。大電流開關(guān)電路1可以由各種不同類型的大電流高速開關(guān)電路構(gòu)成，例如圖2，可 以使用若干個(gè)并聯(lián)的達(dá)林頓復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)構(gòu)成的高速開關(guān)電路，也可以使用雙極性晶體 管構(gòu)成的高速開關(guān)電路。在圖2中，晶體管的集電極、基極和發(fā)射極分別為大電流開關(guān)電路 1的第一、第二和第三端口。晶體管的發(fā)射極接地。如圖3所示，也可以將組成的達(dá)林頓管的第一晶體管的發(fā)射極和第二晶體管的基 極相連，之間串聯(lián)有壓艙電阻R2 (ballasting resistor)，并在其上并聯(lián)一個(gè)加速電容C1, 用以提高晶體管的開啟速度，此電容為可以為MIM電容(Metall-InSulat0r-Meta12)，這樣 可以有效的避免晶體管的熱潰散(thermal runaway)問題，同時(shí)亦保有晶體管的優(yōu)越操作 特性。本實(shí)施例的保護(hù)電路2如圖4所示，由若干個(gè)并聯(lián)的二極管構(gòu)成，可以等效為一個(gè) 面積為所有并聯(lián)二極管之和的二極管D3，能夠承受大電流，用于保護(hù)大電流開關(guān)電路，二極 管的正極為保護(hù)電路2的輸入端，負(fù)極為保護(hù)電路2的輸出端。保護(hù)電路2用于保護(hù)開關(guān) 電路，同時(shí)與開關(guān)電路一起組成大電流泄放的通路，另外，二極管D3可以降低漏電流以及 負(fù)載電容，由于D3自身有一定的電容，此電容與開關(guān)電路的寄生電路串聯(lián)，兩電容串聯(lián)，使 電容值變小。保護(hù)電路2所用的二極管的數(shù)目K由最大泄放電流Imax和二極管的最大電流 密度決定。本實(shí)施例的觸發(fā)電路3如圖5所示，包括依次串聯(lián)的由若干二極管串聯(lián)構(gòu)成的二 極管串D15和二極管D26、電阻R17，二極管串Dl的第一個(gè)二極管的正極為觸發(fā)電路的輸入 端，二極管串Dl的最后一個(gè)二極管的負(fù)極連接二極管D2的正極，二極管D2的正極為觸發(fā) 電路3的輸出端，負(fù)極連接電阻Rl。在存在強(qiáng)電磁脈沖干擾時(shí)，二極管D26和電阻R17確定 了開關(guān)電路觸發(fā)的閾值。假設(shè)各二極管的開啟電壓大致相同，為V。n，電阻Rl的阻值為RT， 流過電阻的電流為It，箝位電壓為Vq，觸發(fā)電路3共含有N個(gè)串聯(lián)的二極管，則滿足<formula>formula see original document page 5</formula>(1)可見，二極管串Dl中含有的二極管的數(shù)目N-I和箝位電壓的大小有關(guān)。二極管串 中所用的二極管的個(gè)數(shù)可以根據(jù)所需要的被保護(hù)端口的箝位電壓來確定。若其余參數(shù)不 變，改變RT，則箝位電壓也相應(yīng)變化。因此Rt可以為可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)Rt可以調(diào)整被保護(hù) 端口的箝位電壓\和開關(guān)電路的開啟電壓。大電流開關(guān)電路1的基極電壓，即觸發(fā)電路內(nèi)二極管D2和電阻Rl上的電壓之和， 當(dāng)達(dá)到晶體管的開啟電壓閾值后，大電流開關(guān)電路導(dǎo)通，使耦合至被保護(hù)端口的大電流能 夠通過保護(hù)電路2、大電流開關(guān)電路1的晶體管快速泄放到地。同時(shí)，開關(guān)電路使觸發(fā)電路 3的輸出端電壓保持為開關(guān)電路的基極電壓，又由于二極管的開啟電壓是恒定的，從而將使 觸發(fā)電路的輸入端即被保護(hù)端口的電壓箝位到安全的箝位電壓上。假設(shè)大電流開關(guān)電路1中所需的最少的并聯(lián)晶體管的數(shù)目為M，晶體管安全工作電壓為up，電壓浮動(dòng)系數(shù)為k，晶體管導(dǎo)通電阻為R。n，總最大泄放電流為Imax，則滿足Up(l + k) =Imax.Rvn/M(2)本實(shí)施例的反向保護(hù)電路4如圖6所示，是若干并聯(lián)的二極管或者并聯(lián)的二極管 串構(gòu)成的二極管D4，二極管的正極接地，負(fù)極與被保護(hù)端口相連。由于二極管的反向擊穿電 壓很高，用于組成反向泄放電路。如圖7所示為用于箝位電壓為9V的保護(hù)電路的泄放電流和電壓仿真圖。三角標(biāo)識(shí) 的曲線是泄放電流的曲線，方塊標(biāo)識(shí)的曲線是箝位電壓的曲線，在強(qiáng)電磁脈沖干擾到來時(shí)， 大電流開關(guān)電路快速導(dǎo)通，使大電流快速泄放，箝位電壓突變不大，并在幾納秒的時(shí)間內(nèi)就 能恢復(fù)穩(wěn)定在設(shè)定的值。本實(shí)施例的保護(hù)電路2、觸發(fā)電路3和反向保護(hù)電路4中使用的二極管也可以用三 極管的基極-集電極或者基極_發(fā)射極來實(shí)現(xiàn)，對于NPN型的晶體管，基極相當(dāng)于二極管的 正極，集電極或者發(fā)射機(jī)相當(dāng)于二極管的負(fù)極，對于PNP型的晶體管則正好相反。當(dāng)將保護(hù)電路做在單片微波集成電路中時(shí)，保護(hù)電路可以采用異質(zhì)結(jié)雙極性晶體 管。與普通的硅雙極晶體管相比，砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管具有更好的高頻特性、絕緣性 能及更高的電流增益，并且砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管還具有能承受較大電流密度以及對 光刻精度要求低等優(yōu)點(diǎn)。對于同樣功率輸出的芯片，采用異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管器件能大大 減小芯片尺寸從而降低芯片的成本。砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)連接，組成 大電流的高速開關(guān)電路。若做成單片集成電路時(shí)，將可調(diào)電阻Rl置于片外，便于調(diào)節(jié)。根據(jù)被保護(hù)端口的數(shù)目，選擇防護(hù)電路的數(shù)量，每一個(gè)被保護(hù)電路用一個(gè)防護(hù)電 路。可以由2個(gè)本實(shí)施例的保護(hù)電路組成一個(gè)集成雙端口防護(hù)電路用于雙端口的保護(hù)，如 圖8所示，兩個(gè)同樣的本實(shí)施例的保護(hù)電路在集成雙端口防護(hù)電路中鏡像對稱放置，共用 接地端，每一個(gè)保護(hù)電路連接一個(gè)被保護(hù)端口。對于雙線傳輸線，干擾信號(hào)主要是共模信 號(hào)，不論信號(hào)極性是正是負(fù)，集成的雙端口防護(hù)電路都能將大電流泄放到地，因此屬于無極 性防護(hù)電路。同理可以制作四端口、八端口或更多端口的集成防護(hù)電路來保護(hù)受強(qiáng)電磁脈 沖干擾的端口。同樣，一個(gè)被保護(hù)端口也可以連接多個(gè)本實(shí)用新型的實(shí)施例的防護(hù)電路。當(dāng)連接 多個(gè)防護(hù)電路時(shí)，能抗更高功率的電磁脈沖干擾。如圖9所示，以一個(gè)被保護(hù)端口連接2個(gè) 防護(hù)電路為例說明，可以用兩個(gè)本實(shí)施例的保護(hù)電路鏡像對稱放置，共用接地端，做成集成 雙端口防護(hù)電路，接被保護(hù)端口的兩個(gè)端口接到一起，防護(hù)功率可以提高一倍。以上所述，僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，并不能以此限定本實(shí)用新型實(shí)施的范 圍，凡依本實(shí)用新型權(quán)利要求及說明書內(nèi)容所作的簡單的變換，皆應(yīng)仍屬于本實(shí)用新型的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于包括大電流開關(guān)電路(1)、保護(hù)電路(2)、觸發(fā)電路(3)；所述觸發(fā)電路(3)的輸入端連接被保護(hù)端口，在電磁脈沖干擾時(shí)，觸發(fā)大電流開關(guān)電路(1)導(dǎo)通；所述大電流開關(guān)電路(1)的第一端口連接保護(hù)電路(2)的輸出端，第二端口連接觸發(fā)電路(3)的輸出端，第三端口接地，當(dāng)開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，可使大電流泄放到地；所述保護(hù)電路(2)串聯(lián)在被保護(hù)端口和開關(guān)電路(1)之間，用于保護(hù)開關(guān)電路(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于還包括反向 保護(hù)電路(4)，一端和被保護(hù)端口相連，另一端接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于所述大電流 開關(guān)電路⑴為大電流高速開關(guān)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于所述大電流 開關(guān)電路(1)是由若干個(gè)并聯(lián)的達(dá)林頓復(fù)合晶體管或者雙極性晶體管構(gòu)成的高速開關(guān)電 路，大電流開關(guān)電路(1)的第一、第二和第三端口分別為晶體管的集電極、基極和發(fā)射極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于所述保護(hù)電 路(2)由若干個(gè)并聯(lián)的二極管構(gòu)成，二極管的正極為保護(hù)電路(2)的輸入端，負(fù)極為保護(hù)電 路(2)的輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于所述觸發(fā)電 路(3)中，由若干二極管串聯(lián)構(gòu)成的二極管串Dl (5)和二極管D2 (6)、電阻Rl (7)依次串聯(lián) 并接地，二極管串Dl的正極為觸發(fā)電路的輸入端，二極管串Dl的負(fù)極連接二極管D2的正 極，二極管D2的正極為觸發(fā)電路(3)的輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于所述反向保 護(hù)電路(4)由若干并聯(lián)的二極管或者并聯(lián)的二極管串構(gòu)成，二極管的正極接地，負(fù)極與被 保護(hù)端口相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于所述電阻 Rl (7)為可調(diào)電阻，用以調(diào)整箝位電壓和大電流開關(guān)電路(1)的開啟電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求6中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于所述觸發(fā)電 路(3)中二極管串Dl (5)的二極管個(gè)數(shù)由被保護(hù)端口的箝位電壓決定。
10.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，其特征在于一個(gè)被保護(hù) 端口可以連接至少一個(gè)所述的抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種抗強(qiáng)電磁脈沖干擾的防護(hù)電路，包括大電流開關(guān)電路、保護(hù)電路、觸發(fā)電路；所述觸發(fā)電路的輸入端連接被保護(hù)端口，在電磁脈沖干擾時(shí)，觸發(fā)大電流開關(guān)電路導(dǎo)通；所述大電流開關(guān)電路的第一端口連接保護(hù)電路的輸出端，第二端口連接觸發(fā)電路的輸出端，第三端口接地，當(dāng)開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，可使大電流泄放到地；所述保護(hù)電路輸入端連接被保護(hù)端口，用于保護(hù)開關(guān)電路。本實(shí)用新型用途廣泛，能夠?qū)Ⅰ詈现岭娮釉O(shè)備的大電流快速泄放到地，并將被保護(hù)端口的電壓箝位在合適的值。
文檔編號(hào)H02H9/02GK201562958SQ20092026850
公開日2010年8月25日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者劉善松, 張曉東, 郝瑞榮 申請人:蘇州英諾迅科技有限公司