TVS二極管HEMP響應(yīng)特性統(tǒng)計分析

杜鳴心，石立華，周穎慧，富志凱

（解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與電光工程國家級重點(diǎn)實驗室, 南京 210007）

TVS二極管HEMP響應(yīng)特性統(tǒng)計分析

杜鳴心，石立華，周穎慧，富志凱

（解放軍理工大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)與電光工程國家級重點(diǎn)實驗室, 南京 210007）

針對瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管對高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖(HEMP)的防護(hù)問題，研究了不同類型脈沖傳導(dǎo)注入至被 測電路，分別測得了限幅電壓、損傷閾值電壓、損毀閾值電壓和損毀閾值電流，計算出了不同類型脈沖作用下?lián)p傷概率和損毀概率。結(jié)果表明被測電路受到了注入脈沖次數(shù)累積效應(yīng)的影響，脈沖次數(shù)越多，其閾值電壓和閾值電流會越低。研究結(jié)果為微電子設(shè)備的電磁脈沖防護(hù)及HEMP防護(hù)中的器件選擇提供了參考。

TVS二極管；HEMP；累積效應(yīng)；損傷概率；損毀概率

引言

微電子器件在現(xiàn)代電子設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，其性能下降乃至損毀將對整個設(shè)備產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖（HEMP），上升前沿時間約為2.3 ns，峰值場強(qiáng)可達(dá) 50 kV/ m，會通過天線、各種金屬線纜、孔洞縫隙等途徑，在系統(tǒng)中耦合出幅度非常高的傳導(dǎo)干擾環(huán)境，損傷甚至燒毀電子元器件[1]。因此，研究HEMP對微電子設(shè)備的效應(yīng)，對保障各種軍用或民用的電子信息系統(tǒng)的安全運(yùn)行都具有非常重要的意義。國內(nèi)外很多學(xué)者對微電子設(shè)備HEMP效應(yīng)進(jìn)行了研究，對SPD的LEMP和HEMP響應(yīng)特性也進(jìn)行過測試[7～8]。但他們只是進(jìn)行單次實驗，沒有對EMP累積效應(yīng)進(jìn)行研究。本文基于一個開關(guān)量輸出保護(hù)電路，其防護(hù)器件為二極管（1N6381）和二極管（1N6374）的反向串聯(lián)，研究不同脈沖次數(shù)和不同脈沖峰值遞增間隔情況下發(fā)生損傷效應(yīng)時注入電壓和注入電流的分布規(guī)律及其累積效應(yīng)，并分別計算每種情況下?lián)p傷概率曲線和損毀概率，為電子設(shè)備在該類電磁環(huán)境下的防護(hù)提供依據(jù)。

1 實驗設(shè)置

開關(guān)量輸出電路實現(xiàn)了將感應(yīng)到的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一個開關(guān)量信號，繼而輸出控制下一級電路的作用。本實驗所用的開關(guān)量輸出電路中起主要防護(hù)作用的是兩個TVS二極管1N6 381和1N6 374[2～3]。

圖1 實驗連接圖

實驗采用脈沖電壓傳導(dǎo)注入對被測器件進(jìn)行測試，所用HEMP源為直流高壓源。其輸出波形為雙指數(shù)波，極性為正極性脈沖，電壓幅值為40 kV可調(diào)，上升前沿小于2.5 ns，脈沖持續(xù)時間為50～60 ns。對于限幅性能的測試，脈沖源為ENS-24XA高頻噪聲模擬器。輸出為100 ns的矩形脈沖，可調(diào)電壓值0～2 000 VMAX±10 %，上升時間1 ns±30 %。實驗時脈沖源正負(fù)極接于試件正負(fù)兩極，用兩個電壓探頭測量注入電壓和輸出電壓，用電流探頭測量注入端的電流，結(jié)果均輸入至數(shù)字示波器進(jìn)行測量存儲，觀察SPD對特定HEMP波形的響應(yīng)能力和失效閾值[4]。實驗所涉及的三類脈沖類型解釋如下：單脈沖為在按要求接線的情況下傳導(dǎo)注入一次脈沖；10脈沖間隔6 dB為傳導(dǎo)注入一次脈沖，結(jié)束后間隔大于10 s，再注入第二次脈沖以此類推至十次脈沖結(jié)束，按6 dB間隔提高量級；10脈沖間隔3 dB，按 3 dB間隔提高量級，其它同10脈沖間隔6 dB的情況。實驗連接圖如圖1所示。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 限幅特性分析

實驗采用脈寬100 ns的方波信號，從1.5 V至2 kV進(jìn)行測試。主要用于觀察器件在不同幅度電壓、電流作用下的箝位特性。表1給出了注入電壓、輸出電壓峰值及限幅電壓測試結(jié)果，圖2為限幅性能測試結(jié)果波形圖。

表1 限幅電壓測試結(jié)果

圖2 限性能測試結(jié)果波形圖

表2 不同脈沖類型作用下被測電路的閾值電壓及電流值

由表1和圖2可得，試件在注入矩形脈沖時，隨著注入電壓幅值的增大，輸出電壓幅值剛開始增大，但達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定。隨著注入電壓繼續(xù)增大，輸出電壓波形寬度變窄，尾部出現(xiàn)一個平臺，被箝位到一個較小的值。與此同時，對應(yīng)于輸出電壓幅值減小的部分，注入電流出現(xiàn)一個凸起的部分，幅值增大，這遵循能量守恒定律。由于電路本身的結(jié)構(gòu)，所以圖2中所示輸出電壓與注入電壓波形相等。該開關(guān)量輸出電路可將過電壓限制到56.1 V左右。

2.2 損傷及損毀性能分析

器件的損傷是指隨著電壓幅值的增加器件性能下降，當(dāng)器件重啟之后（包括自身重啟、外部強(qiáng)制重啟和斷電重新加電），器件又可以正常工作。器件損毀指過電壓致使器件有物理損傷，除非對硬件進(jìn)行修理或更換，否則器件將不可以恢復(fù)正常狀態(tài)。本文采用直流高壓源，研究了三種不同類型的脈沖從1 kV至30 kV注入時，該電路的響應(yīng)特性。實驗結(jié)果如表2及圖3所示。

由于實驗設(shè)置每種類型脈沖注入時器件個數(shù)不等，故得到表2的實驗數(shù)據(jù)。10次脈沖的情況下，需分兩種脈沖幅值間隔進(jìn)行遞增，可得到更準(zhǔn)確的損傷和損毀閾值范圍。從表2及圖3可知，對于被測電路，單脈沖作用下閾值電壓及電流最大值高于10脈沖作用下的最大值；10脈沖作用下，間隔6 dB情況下閾值電壓及電流最大值大于間隔3 dB情況下的最大值。單脈沖作用下閾值電壓及電流平均值高于10脈沖作用下的平均值；10脈沖情況下，間隔6 dB的情況高于3 dB作用下的平均值?？梢钥闯鰡蚊}沖作用下閾值電壓和電流范圍波動比較大，閾值的穩(wěn)定性小于10脈沖作用下的穩(wěn)定性。

由于10脈沖作用的脈沖間隔小于單脈沖作用下的脈沖間隔，使電流流過二極管時產(chǎn)生的焦耳熱持續(xù)累積，直至將器件損壞；另一方面10脈沖作用到二極管上的脈沖總能量也大于單脈沖作用到該二極管上的脈沖總能量，因此，10脈沖作用下器件更易損壞。10脈沖作用下，由于3 dB的間隔小于6 dB，脈沖提高至相同的幅值，3 dB情況下脈沖次數(shù)大于6 dB的情況，因此間隔3 dB的情況比間隔6 dB的情況閾值更低。由此可得出脈沖次數(shù)對被測電路有比較明顯的累積效應(yīng)。

圖3 閾值電壓電流分布圖

2.3 損傷及損毀概率分析

TVS二極管的損傷概率和損毀概率可分別通過損傷器件個數(shù)和損毀的器件個數(shù)來定義：

圖4 損傷及損毀概率曲線

其中PBFR為損傷概率，PDFR為損毀概率，NB為損傷器件個數(shù)，ND為損毀器件個數(shù)，NT為實驗器件總個數(shù)[5～6]。根據(jù)式（1）和（2）計算出不同類型脈沖作用下?lián)p傷概率和損毀概率，繪制出曲線如圖4所示。

在脈沖幅值相等的情況下，單脈沖的損傷概率和損毀概率小于10脈沖的情況，而10脈沖間隔6 dB情況下的損傷和損毀概率又小于間隔3 dB的情況?？傮w上看，10脈沖間隔6 dB作用下的損傷和損毀概率曲線位于間隔3 dB的之上，且10脈沖情況的曲線均位于單脈沖的之上。這從統(tǒng)計學(xué)的角度進(jìn)一步證實了脈沖累積效應(yīng)對被測電路的影響。

3 結(jié)論

本文通過對開關(guān)量輸出電路HEMP傳導(dǎo)注入的研究，可知隨著脈沖幅值的增加，該電路中的防護(hù)器件會將過電壓箝位至56.1 V左右；脈沖幅值繼續(xù)增加，會對該器件產(chǎn)生損傷；最終，當(dāng)脈沖幅值達(dá)到一定閾值，器件將被損毀。

對不同類型脈沖注入的研究結(jié)果表明，不同脈沖次數(shù)對損傷和損毀閾值電壓和損毀閾值電流影響明顯。脈沖次數(shù)越多，其閾值電壓和閾值電流會越低，這是由于實驗系統(tǒng)受到了注入脈沖次數(shù)累積效應(yīng)的影響。

損傷及損毀概率分析結(jié)果說明幅值相等時，注入脈沖次數(shù)越多，損傷概率越大。這表明被測電路受脈沖次數(shù)累積效應(yīng)明顯。研究所得結(jié)論對進(jìn)一步研究SPD對HEMP的防護(hù)有參考意義。

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[3]孫丹峰,幼章.電路浪涌保護(hù)器件[J]. 電源世界, 2014,1： 45-49.

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[5] Michael Camp, He ndrik Gerth, Heyno Garbe, et.al..Predicting the Breakdown Behavior of Microcontrollers Under EMP/ UWB Impact Using a Statistical Analysis. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2004, 46(3)： 368-379.

[6] Daniel Nitsch, Michael Camp, Jan Luiken, et.al..Susceptibility of Some Electronic Equipment to HPEM Threats. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2004, 46(3)： 380-389.

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Statistical Analysis on the Response Characteristic for TVS Diode in HEMP

DU Ming-xin, SHI Li-hua, ZHOU Ying-hui, FU Zhi-kai
（National Key Laboratory on Electromagnetic Environmental Effects and Electro-optical Engineering, Chinese People’s Liberation Army University of Science and Technology,Nanjing 210007）

To investigate the transient voltage suppression diodes (TVS) defending against the electromagnetic pulse generated by high-altitude nuclear explosions (HEMP), different types of impulses injecting to the circuit has been researched. In this paper, the limiting voltage, breakdown threshold voltage, damage threshold voltage and damage threshold current are measured. Breakdown probability and damage probability caused by different types of pulses are also calculated. The results show that accumulative effect has a significant influence on the circuit. The more the number of pulses is, the lower threshold voltage and current will be. This study provides references for electromagnetic pulse protection in microelectronic devices and selecting devices to defend against HEMP.

TVS diode; HEMP; accumulative effect; breakdown probability; damage probability

TN345

A

1004-7204（2015）04-0050-05

杜鳴心（1991-），女，陜西人，解放軍理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為電磁脈沖防護(hù)技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金（編號：51477183, 51407198）