隨著軍用飛機(jī)采用碳復(fù)合材料機(jī)身并攜帶越來(lái)越多的電傳操縱航空電子設(shè)備，防雷變得越來(lái)越重要。滿足最新嚴(yán)格的防雷標(biāo)準(zhǔn)需要仔細(xì)選擇瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 器件。

航空航天和國(guó)防工業(yè)已經(jīng)制定了保護(hù)機(jī)載軍用航空電子系統(tǒng)免受雷擊的標(biāo)準(zhǔn)。很少有現(xiàn)成的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）組件能夠滿足兩個(gè)頂級(jí)航空標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定的最新浪涌規(guī)范，并且較差的熱性能導(dǎo)致非常高的結(jié)溫以及性能受損或故障。新的TVS結(jié)構(gòu)通過顯著降低結(jié)到散熱器的熱阻和處理多沖程測(cè)試序列，最大限度地減少二極管（p-n）結(jié)區(qū)域的破壞性熱量積聚，避免了這些問題。

閃電問題

雖然飛機(jī)雷擊并不少見，但它們很少引起問題。當(dāng)全金屬飛機(jī)被閃電擊中時(shí)，它的皮膚成為螺栓傳導(dǎo)路徑的一部分。電離氣體通道在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)短暫地附著在結(jié)構(gòu)上，金屬蒙皮充當(dāng)法拉第籠。電流流過結(jié)構(gòu)的外表面，雖然飛機(jī)內(nèi)部的感應(yīng)場(chǎng)沒有被消除，但它們至少是可控的。

隨著電傳操縱架構(gòu)的普及，防雷變得越來(lái)越重要，這些架構(gòu)通過飛機(jī)的數(shù)據(jù)總線和電源布線承載主要的飛行控制命令。與此同時(shí)，商業(yè)、航空航天和國(guó)防工業(yè)越來(lái)越多地使用碳復(fù)合材料而不是傳統(tǒng)的鋁合金機(jī)身來(lái)減輕重量，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。空客350和380以及波音787等飛機(jī)上的重要皮膚區(qū)域現(xiàn)在使用碳復(fù)合材料制造。這些材料接近傳統(tǒng)金屬機(jī)身材料的防雷性能，但與金屬等效材料相比，它們所包圍的飛行系統(tǒng)的屏蔽更少。

金屬以及更大程度上的碳復(fù)合材料機(jī)身都需要優(yōu)化的TVS組件，以充分保護(hù)它們免受雷擊。如果沒有足夠的TVS保護(hù)，當(dāng)超過其最大額定電壓或額定功率時(shí)，這些撞擊會(huì)損壞敏感的電子元件。

測(cè)試?yán)纂娔褪苄?/p>

美國(guó)航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（RTCA）和歐洲民用航空電子組織（EUROCAE）定義了RTCA/DO-160E和EUROCAE/ED-14E（以及ISO-7137）的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，用于金屬和碳復(fù)合材料機(jī)身在商業(yè)和軍事應(yīng)用中必須容忍的雷電相關(guān)干擾水平。DO-160要求航空電子子系統(tǒng)能夠承受直接打擊脈沖以及由每次雷擊引起的瞬態(tài)電磁場(chǎng)引起的脈沖。該規(guī)范涵蓋了單沖程、多沖程和多突發(fā)序列中的沖擊脈沖。DO-160 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了多個(gè)瞬態(tài)波形參數(shù)，包括幅度、上升時(shí)間、衰減時(shí)間、重復(fù)次數(shù)和重復(fù)率。

詳細(xì)分析表明，典型的負(fù)擊包括 1 到 11 次單獨(dú)的沖程，最多 24 次。這些被認(rèn)為是以大約60毫秒的間隔發(fā)生的單獨(dú)電荷區(qū)域的放電。對(duì)于 DO-160 的電纜束測(cè)試，飛機(jī)在第一次沖程中必須承受高達(dá) 640 V，在隨后的沖程中必須承受高達(dá) 320 V 的電壓，單沖程必須承受高達(dá) 1，600 V 的電壓。

圖1所示的TVS電路布置有助于保護(hù)航空電子子系統(tǒng)內(nèi)部和之間的信號(hào)線免受直接雷擊引起的瞬變的影響。它還旨在保護(hù)終端和接口設(shè)備免受飛機(jī)中其他接口設(shè)備傳導(dǎo)到這些信號(hào)線的瞬變的影響。

圖1：涉及TVS保護(hù)的典型電路可保護(hù)航空電子設(shè)備免受雷擊引起的瞬變。

由于直接或誘導(dǎo)效應(yīng)而出現(xiàn)在互連線路上的瞬變必須由TVS設(shè)備轉(zhuǎn)移到地面，然后才能進(jìn)入并破壞連接兩端的終端設(shè)備。感應(yīng)效應(yīng)是瞬態(tài)的電容或電感耦合，上升時(shí)間非?？欤ū硎緸閐i/dt或dv/dt，分別指電流或電壓的變化率）。

航空電子設(shè)備TVS總是半導(dǎo)體器件，例如p-n結(jié)雪崩擊穿二極管（ABD），與其他類型的并聯(lián)保護(hù)器件相比，它在鉗位方面表現(xiàn)出色。ABD 在更低的鉗位電壓下提供比金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 器件更高的效率;例如，ABD的鉗位電壓比（VC/VBR）通常為1.35，而MOV的鉗位電壓比為3。MOV也可能因重復(fù)瞬變而退化，盡管各個(gè)瞬變?cè)谄渥畲箢~定值范圍內(nèi)。為了處理雷電浪涌保護(hù)指定的瞬態(tài)電平，TVS器件采用單二極管芯片或串聯(lián)二極管骰子堆棧的形式，用于高功率器件。

解決散熱挑戰(zhàn)

由于其結(jié)構(gòu)，許多TVS器件不允許內(nèi)部耗散的熱量足夠快地逸出，以保持半導(dǎo)體器件的最大工作范圍以下的結(jié)溫。充分了解TVS數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)以及它們?nèi)绾问芷骷Y(jié)構(gòu)影響非常重要。

一個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)是峰值脈沖功率（PPP），它是根據(jù)隨機(jī)發(fā)生的事件指定的，這些事件間隔間隔足夠長(zhǎng)，不會(huì)發(fā)生熱量積聚。一些數(shù)據(jù)手冊(cè)提到了浪涌事件之間的間隔，并提供比指定的峰值額定功率低得多的直流額定功率。在這些情況下，應(yīng)使用散熱器布置指定直流條件，以管理穩(wěn)態(tài)條件。相比之下，在熱量到達(dá)TVS外部之前結(jié)束的短時(shí)間（1毫秒或更短）的短暫瞬態(tài)事件，散熱器被認(rèn)為是無(wú)關(guān)緊要的。開發(fā)人員必須使用相同的條件仔細(xì)解釋比較數(shù)據(jù)手冊(cè)信息。

熱管理與脈沖事件的擴(kuò)展、快速重復(fù)率相關(guān) - 任何具有施加的重復(fù)浪涌占空比，其中該占空比的平均計(jì)算功率超過其直流功率額定值，包括任何直流電源散熱器要求。問題是累積加熱效應(yīng)。開發(fā)人員可能會(huì)認(rèn)為，即使它們沒有根據(jù)在外殼、引線或端蓋測(cè)量的受控溫度背景下的表達(dá)方式明確定義，也存在強(qiáng)大的散熱裝置。

重要的是要了解TVS設(shè)備通常以非常低的功率運(yùn)行，在發(fā)生瞬態(tài)之前具有非常低的自熱效應(yīng)。這有助于TVS單元優(yōu)化瞬態(tài)性能，并避免其自身自熱效應(yīng)可能造成的溫度降額，例如，如果將其用作齊納二極管或用于功率連續(xù)耗散的連續(xù)電壓調(diào)節(jié)。

其他關(guān)鍵的TVS數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)包括VWM漏電流的鉗位電壓（VC）、最大工作或關(guān)斷電壓（VWM）和待機(jī)電流（ID），TVS在瞬態(tài)發(fā)生之前正常工作。在低待機(jī)電流下，TVS 器件在任何隨機(jī)重復(fù)出現(xiàn)的浪涌事件之間以非常低的功率閑置即可正常運(yùn)行。

用于定義TVS器件性能和測(cè)試其響應(yīng)的脈沖形狀通常是具有指數(shù)上升和衰減波形的瞬態(tài)。由于不同的時(shí)間常數(shù)適用于上升和衰減曲線，因此在 6.4/69 微秒時(shí)的典型額定功率可能為 130 kW。這意味著該器件可以安全地耗散瞬態(tài)，該瞬態(tài)在功率水平為130 kW時(shí)達(dá)到峰值，脈沖形狀在6.4微秒內(nèi)上升到最大值，并在69微秒內(nèi)從峰值衰減到50%水平。在較長(zhǎng)脈沖的情況下，峰值功率值會(huì)降低，以確保內(nèi)部p-n結(jié)溫不會(huì)過高。

此時(shí)，必須考慮TVS器件結(jié)構(gòu)以保證有效的散熱。一種制造方法是軸向引線設(shè)計(jì)。對(duì)于大功率TVS，可以堆疊多個(gè)半導(dǎo)體骰子，以實(shí)現(xiàn)所需的關(guān)斷電壓特性。這將在浪涌事件期間為相同的峰值脈沖電流（IPP）實(shí)現(xiàn)更大的PPP能力，此時(shí)二極管兩端的電壓超過雪崩擊穿的指定值，并開始箝位或限制瞬態(tài)電壓。

然而，帶有堆疊骰子的軸向引線結(jié)構(gòu)為將器件直接安裝在散熱器上以改善散熱提供了最小的機(jī)會(huì)。熱路徑從二極管骰子堆疊中的熱量消散處開始，并通過引線傳導(dǎo)和通過外殼的對(duì)流繼續(xù)。從（p-n）結(jié)到引線或環(huán)境溫度的熱阻相對(duì)較高，特別是TVS封裝內(nèi)堆疊芯片設(shè)計(jì)中心的多個(gè)p-n結(jié)。

或者，骰子可以組裝在表面貼裝堆棧中，裸露的底座接觸墊同時(shí)用作電接觸和熱接觸。雖然導(dǎo)熱系數(shù)從最低的芯片到基板是有效的，但對(duì)于更高的骰子，它會(huì)變質(zhì)。頂部的熱路徑也很差，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)二極管只能通過鍵合線或小夾子連接到第二個(gè)電氣端子。

在DO-160多沖程瞬態(tài)波形中，一個(gè)峰值瞬態(tài)之后是一系列脈沖，在1.5秒內(nèi)達(dá)到原始峰值電平的50%。對(duì)于軸向引線設(shè)計(jì)和表面貼裝堆棧，這些快速多沖程的有效PPP降額將大大大于寬間隔、隨機(jī)重復(fù)脈沖的規(guī)定。熱量將積聚在半導(dǎo)體器件堆棧內(nèi)，并且不會(huì)在脈沖序列的時(shí)間尺度內(nèi)有效地?cái)U(kuò)散到散熱器或環(huán)境。這在間隔可能短至 10 毫秒的多次沖程中尤其困難。

使用新的TVS結(jié)構(gòu)優(yōu)化熱性能

圖2顯示了避免上述限制的TVS結(jié)構(gòu)。在本例中，美高森美的PLAD塑料器件僅使用一個(gè)或兩個(gè)大面積半導(dǎo)體芯片（取決于PPP額定值）連接到大觸點(diǎn)/導(dǎo)熱焊盤。頂部觸點(diǎn)由銅夾而不是引線鍵合形成。夾子離開封裝并充當(dāng)?shù)诙€(gè)電觸點(diǎn)，以提供額外的熱路徑。這種結(jié)構(gòu)的結(jié)到散熱器熱阻為0.2°C/W，這最大限度地減少了DO-160多沖程測(cè)試序列期間p-n結(jié)附近的破壞性熱量積聚。

圖2：下一代TVS結(jié)構(gòu)避免了早期方法的局限性，僅采用一個(gè)或兩個(gè)大面積半導(dǎo)體芯片直接連接到大型接觸/導(dǎo)熱焊盤。

半導(dǎo)體元件和觸點(diǎn)之間的鍵合連接技術(shù)減輕了瞬態(tài)事件期間發(fā)生的任何加熱相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力。器件可以制造成低于 3.3 mm 的外形，并具有低電感電流路徑，以進(jìn)一步改善雷電測(cè)試器件響應(yīng)。該電流路徑對(duì)于在具有快速上升時(shí)間的高電流瞬變期間降低電感是必需的。

高幅度di/dt（電流變化率）將導(dǎo)致電壓過沖（表示為v = Ldi/dt），超出TVS器件的鉗位電壓。當(dāng)用作需要保護(hù)的敏感元件上的并聯(lián)分流路徑時(shí)，這些寄生效應(yīng)影響鉗位電壓性能和效率。

更安全的天空

采用碳復(fù)合材料蒙皮的軍用飛機(jī)中電傳操縱系統(tǒng)的普及導(dǎo)致了更強(qiáng)大的防雷標(biāo)準(zhǔn)，而使用傳統(tǒng)的TVS結(jié)構(gòu)很難支持這些標(biāo)準(zhǔn)。新的封裝技術(shù)顯著提高了熱性能，使TVS器件能夠滿足當(dāng)今苛刻的多次突發(fā)浪涌保護(hù)要求。

審核編輯：郭婷