抗強電磁脈衝幹擾的防護電路的製作方法

2023-10-18 07:59:59

專利名稱：抗強電磁脈衝幹擾的防護電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件及其電路系統的保護電路設計領域，尤其涉及一種防高功率電磁脈衝幹擾的防護電路。
背景技術：
基於現代軍事平臺上密集封裝的微電子設備，以及電磁脈衝(Electromagnetic Pulse， EMP)可以實現非核性，各國軍方認為這種EMP效應有著重要的軍用價值，開始競相發展電磁脈衝武器。電磁脈衝武器是一種新式的信息系統攻擊武器，它是以光速將作用能量射向敵方，強大的電磁脈衝通過電纜、天線或接線柱等途徑進入電子系統及設備，產生很高的瞬時感應電壓和電流，將電路擊穿甚至將電子系統及設備燒毀，致使敵方dlSR系統、防空系統及其他軍用電子裝備癱瘓。如今，電子對抗能力的高低已經成為決定戰爭進程和勝負的重要因素，具有大規模電子殺傷能力的電磁脈衝(EMP)武器的使用己經成為電子戰的主要手段，因此研究一種可以抗強電磁脈衝幹擾的防護電路變得尤為重要。
使用常規技術產生的EMP特性為定向性、相應的短作用距離和很寬的電磁頻譜範圍。以光速傳輸的EMP的寬帶特性的防禦極其困難又成本較高，現有EMP武器的主要對抗措施是電磁屏蔽，就是用導電或導磁材料，或用既導電又導磁的材料，製成屏蔽體，將電磁能量限制在一定的空間範圍內，使電磁能量從屏蔽體的一面傳遞到另一面時受到很大削弱。因為EMP具有極寬的頻段，設計師必須對低、中、高頻段進行屏蔽，並且必須在大量進入電系統的導電通路處安裝保護濾波器，如電源線、傳輸線、天線的輸入端。接地、濾波器設計、或屏蔽形狀有一處錯誤就足以使破壞性的EMP進入，整個系統可能被破壞甚至被摧毀。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有EMP防護技術的不足，提供一種抗高功率電磁脈衝幹擾的保護電路，能夠將耦合至電子設備的大電流快速洩放到地，並將被保護埠的電壓箝位在合適的值。
本發明的技術方案是 一種抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，包括大電流開關電路、保護電路、觸發電路；所述觸發電路的輸入端連接被保護埠，在電磁脈衝幹擾時，觸發大電流開關電路導通；所述大電流開關電路的第一 埠連接保護電路的輸出端，第二埠連接觸發電路的輸出端，第三埠接 地，當開關電路導通時，可使大電流洩放到地；所述保護電路輸入端連接被 保護埠，用於保護開關電路。
本發明的更詳細的技術方案是
所述抗強電磁脈衝幹擾的防護電路還包括反向保護電路， 一端和被保護 埠相連，另一端接地。
所述大電流開關電路為大電流高速丌關電路。
所述大電流開關電路是由若干個並聯的達林頓複合電晶體或者雙極性 電晶體構成的高速開關電路，大電流開關電路的第一、第二和第三埠分別 為電晶體的集電極、基極和發射極。
所述保護電路由若干個並聯的二極體構成，二極體的正極為保護電路的 輸入端，負極為保護電路的輸出端。
所述觸發電路中，由若干二極體串聯構成的二極體串Dl和二極體D2、 電阻R1依次串聯並接地，二極體串Dl的正極為觸發電路的輸入端，二極 管串Dl的負極連接二極體D2的正極，二極體D2的正極為觸發電路的輸出 端。
所述反向保護電路由若干並聯的二極體或者並聯的二極體串構成，二極 管的正極接地，負極與被保護埠相連。
所述電阻Rl為可調電阻，用以調整箝位電壓和開關電路的開啟電壓。 所述觸發電路中二極體串Dl的二極體個數由被保護埠的箝位電壓決定。
一個被保護埠可以連接至少一個所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路。
本發明的優點是
1. 能夠將耦合至電子設備的大電流快速洩放到地，並將電壓箝位在合 適的值。
2. 本發明用途廣泛，可以用於電子對抗系統、智能武器系統、廣播衛 星星載設備系統、雷達系統、移動通信系統等電子設備中信號輸入輸出埠 和集成電路各埠的保護。特別針對雙線甚至多線傳輸線，幹擾信號主要為
5共模信號，不論信號極性是正是負，都能將過電流洩放至地，以保護武器設備和其他軍用或民用電子設備與系統在EMP的攻擊下不被破壞或摧毀。
3.通過可調電阻可以調整箝位電壓和開關電路的開啟電壓值。


下面結合附圖及實施例對本發明作進一歩描述圖1為本發明的實施例的結構示意圖2為本發明的實施例的大電流開關電路中達林頓管結構的示意圖3為實施例的大電流開關電路中另一單個達林頓管結構的示意圖。
圖4為本發明的實施例的觸發電路圖5為本發明的實施例的保護電路圖6為本發明的實施例的反向保護電路圖7為本發明的用於箝位電壓為9V的保護電路實施例的洩放電流和電壓仿真圖8為實施例構成的集成雙埠防護電路保護雙埠的結構示意圖；圖9為實施例構成的集成雙埠防護電路保護單埠的結構示意圖；其中1大電流開關電路；101開關電路的第一埠； 102開關電路的第二埠； 103開關電路的第三埠； 2保護電路；201保護電路的輸入端；202保護電路的輸出端；3觸發電路；301觸發電路的輸入端；302觸發電路的輸出端；4反向保護電路；5 二極體串D1; 6 二極體D2; 7電阻Rl; 8被保護埠。
具體實施例方式
實施例l:如圖1所示，本實施例的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，包括一套大電流開關電路1、保護電路2、觸發電路3。觸發電路3的輸入端連接被保護埠，在電磁脈衝幹擾時，觸發大電流開關電路1導通。大電流開關電路1的第一埠連接保護電路2的輸出端，第二埠連接觸發電路3的輸出端，第三埠接地，當開關電路導通時，可使大電流洩放到地。保護電路2輸入端連接被保護埠 ，用於保護開關電路l。本實施例的防護電路還包括反向保護電路4， 一端和被保護埠相連，另一端接地。本發明中提到的所有接地均指接實地，而非信號地。
大電流開關電路1可以由各種不同類型的大電流高速開關電路構成，例如圖2，可以使用若干個並聯的達林頓複合品體管結構構成的高速開關電路，也可以使用雙極性電晶體構成的高速開關電路。在圖2中，電晶體的集電極、基極和發射極分別為大電流開關電路1的第一、第二和第三埠 。品體管的發射極接地。
如圖3所示，也可以將組成的達林頓管的第一電晶體的發射極和第二電晶體的基極相連，之間串聯有壓艙電阻R2(ballasting resistor),並在其上並聯一個加速電容d，用以提高品體管的開啟速度，此電容為可以為MIM電容(Metall-Insulator-Meta12 )，這樣可以有效的避免電晶體的熱潰散(thermal runaway)問題，同時亦保有電晶體的優越操作特性。
本實施例的保護電路2如圖4所示，由若干個並聯的二極體構成，可以等效為一個面積為所有並聯二極體之和的二極體D3，能夠承受大電流，用於保護大電流開關電路，二極體的正極為保護電路2的輸入端，負極為保護電路2的輸出端。保護電路2用於保護開關電路，同時與開關電路一起組成大電流洩放的通路，另外，二極體D3可以降低漏電流以及負載電容，由於D3自身有一定的電容，此電容與開關電路的寄生電路串聯，兩電容串聯，使電容值變小。保護電路2所用的二極體的數目K由最大洩放電流Imx和二極體的最大電流密度決定。
本實施例的觸發電路3如圖5所示，包括依次串聯的由若干二極體串聯構成的二極體串Dl 5和二極體D2 6、電阻R1 7, 二極體串D1的第一個二極體的正極為觸發電路的輸入端，二極體串Dl的最後一個二極體的負極連接二極體D2的正極，二極體D2的正極為觸發電路3的輸出端，負極連接電阻Rl。在存在強電磁脈衝幹擾時，二極體D2 6和電阻R1 7確定了開關電路觸發的閾值。假設各二極體的開啟電壓大致相同，為VQn，電阻Rl的阻值為Rt，流過電阻的電流為Lr，箝位電壓為Vq，觸發電路3共含有N個串聯的二極體，則滿足
K,W + /,A=^ (1)
可見，二極體串Dl中含有的二極體的數目N—l和箝位電壓的大小有關。二極體串中所用的二極體的個數可以根據所需要的被保護埠的箝位電壓來確定。若其餘參數不變，改變Ri，則箝位電壓也相應變化。因此Rt可以
7為可調電阻，通過調節RT可以調整被保護埠的箝位電壓Vq和開關電路的開啟電壓。
大電流開關電路1的基極電壓，即觸發電路內二極體D2和電阻Rl上的電壓之和，當達到品體管的開啟電壓閾值後，大電流丌關電路導通，使耦合至被保護埠的大電流能夠通過保護電路2、大電流開關電路1的電晶體快速洩放到地。同時，開關電路使觸發電路3的輸出端電壓保持為開關電路的基極電壓，又由於二極體的開啟電壓是恆定的，從而將使觸發電路的輸入端即被保護埠的電壓箝位到安全的箝位電壓上。
假設大電流開關電路1中所需的最少的並聯電晶體的數目為M，電晶體安全工作電壓為Up，電壓浮動係數為k，電晶體導通電阻為R。n，總最大洩放電流為Iraax，則滿足
+ " = (2)
本實施例的反向保護電路4如圖6所示，是若干並聯的二極體或者並聯的二極體串構成的二極體D4， 二極體的正極接地，負極與被保護埠相連。由於二極體的反向擊穿電壓很高，用於組成反向洩放電路。
如圖7所示為用於箝位電壓為9V的保護電路的洩放電流和電壓仿真圖。三角標識的曲線是洩放電流的曲線，方塊標識的曲線是箝位電壓的曲線，在強電磁脈衝千擾到來時，大電流開關電路快速導通，使大電流快速洩放，箝位電壓突變不大，並在幾納秒的時間內就能恢復穩定在設定的值。
本實施例的保護電路2、觸發電路3和反向保護電路4中使用的二極體也可以用三極體的基極一集電極或者基極一發射極來實現，對於NPN型的電晶體，基極相當於二極體的正極，集電極或者發射機相當於二極體的負極，
對於PNP型的電晶體則正好相反。
當將保護電路做在單片微波集成電路中時，保護電路可以採用異質結雙極性電晶體。與普通的矽雙極電晶體相比，砷化鎵異質結雙極性電晶體具有更好的高頻特性、絕緣性能及更高的電流增益，並且砷化鎵異質結雙極性電晶體還具有能承受較大電流密度以及對光刻精度要求低等優點。對於同樣功率輸出的晶片，採用異質結雙極性電晶體器件能大大減小晶片尺寸從而降低晶片的成本。砷化鎵異質結雙極型電晶體以達林頓結構連接，組成大電流的高速丌關電路。若做成單片集成電路時，將可調電阻R1置於片外，便於調節。
根據被保護埠的數目，選擇防護電路的數量，每一個被保護電路用一
個防護電路。可以由2個本實施例的保護電路組成一個集成雙埠防護電路用於雙埠的保護，如圖8所示，兩個同樣的本實施例的保護電路在集成雙埠防護電路中鏡像對稱放置，共用接地端，每一個保護電路連接一個被保護埠。對於雙線傳輸線，幹擾信號主要是共模信號，不論信號極性是正是負，集成的雙埠防護電路都能將大電流洩放到地，因此屬於無極性防護電路。同理可以製作四埠、八埠或更多埠的集成防護電路來保護受強電磁脈衝幹擾的埠。
同樣， 一個被保護埠也可以連接多個本發明的實施例的防護電路。當連接多個防護電路時，能抗更高功率的電磁脈衝幹擾。如圖9所示，以一個被保護埠連接2個防護電路為例說明，可以用兩個本實施例的保護電路鏡像對稱放置，共用接地端，做成集成雙埠防護電路，接被保護埠的兩個埠接到一起，防護功率可以提高一倍。
以上所述，僅為本發明的優選實施例，並不能以此限定本發明實施的範圍，凡依本發明權利要求及說明書內容所作的簡單的變換，皆應仍屬於本發明覆蓋的保護範圍。
權利要求
1.一種抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於包括大電流開關電路(1)、保護電路(2)、觸發電路(3)；所述觸發電路(3)的輸入端連接被保護埠，在電磁脈衝幹擾時，觸發大電流開關電路(1)導通；所述大電流開關電路(1)的第一埠連接保護電路(2)的輸出端，第二埠連接觸發電路(3)的輸出端，第三埠接地，當開關電路導通時，可使大電流洩放到地；所述保護電路(2)串聯在被保護埠和開關電路(1)之間，用於保護開關電路(1)。
2. 根據權利要求1中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於還包括反向保護電路(4)， 一端和被保護埠相連，另一端接地。
3. 根據權利要求1中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於所述大電流開關電路(1)為大電流高速開關電路。
4. 根據權利要求1中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於所述大電流開關電路(1)是由若干個並聯的達林頓複合電晶體或者雙極性電晶體構成的高速開關電路，大電流開關電路(1)的第一、第二和第三埠分別為電晶體的集電極、基極和發射極。
5. 根據權利要求1中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於所述保護電路(2)由若干個並聯的二極體構成，二極體的正極為保護電路(2)的輸入端，負極為保護電路(2)的輸出端。
6. 根據權利要求1中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於所述觸發電路(3)中，由若干二極體串聯構成的二極體串Dl (5)和二極體D2 (6)、電阻Rl (7)依次串聯並接地，二極體串Di的正極為觸發電路的輸入端，二極體串Dl的負極連接二極體D2的正極，二極體D2的正極為觸發電路(3)的輸出端。
7. 根據權利要求2中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於所述反向保護電路(4)由若干並聯的二極體或者並聯的二極體串構成，二極體的正極接地，負極與被保護埠相連。
8. 根據權利要求6中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於所述電阻Rl (7)為可調電阻，用以調整箝位電壓和大電流開關電路(1)的開啟電壓。
9. 根據權利要求6中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於所述觸發電路(3)中二極體串Dl (5)的二極體個數由被保護埠的箝位電壓決定。
10.根據權利要求1中所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，其特徵在於 一個被保護埠可以連接至少一個所述的抗強電磁脈衝幹擾的防護電路。
全文摘要
本發明公開了一種抗強電磁脈衝幹擾的防護電路，包括大電流開關電路、保護電路、觸發電路；所述觸發電路的輸入端連接被保護埠，在電磁脈衝幹擾時，觸發大電流開關電路導通；所述大電流開關電路的第一埠連接保護電路的輸出端，第二埠連接觸發電路的輸出端，第三埠接地，當開關電路導通時，可使大電流洩放到地；所述保護電路輸入端連接被保護埠，用於保護開關電路。本發明用途廣泛，能夠將耦合至電子設備的大電流快速洩放到地，並將被保護埠的電壓箝位在合適的值。
文檔編號H02H9/04GK101673944SQ20091017480
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月16日 優先權日2009年10月16日
發明者劉善松, 張曉東, 郝瑞榮 申請人:蘇州英諾迅科技有限公司