TVS二極管HEMP響應特性統計分析

杜鳴心，石立華，周穎慧，富志凱

（解放軍理工大學 電磁環境效應與電光工程國家級重點實驗室, 南京 210007）

TVS二極管HEMP響應特性統計分析

杜鳴心，石立華，周穎慧，富志凱

（解放軍理工大學 電磁環境效應與電光工程國家級重點實驗室, 南京 210007）

針對瞬態電壓抑制（TVS）二極管對高空核爆炸產生的電磁脈沖(HEMP)的防護問題，研究了不同類型脈沖傳導注入至被 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損傷概率和損毀概率。結果表明被測電路受到了注入脈沖次數累積效應的影響，脈沖次數越多，其閾值電壓和閾值電流會越低。研究結果為微電子設備的電磁脈沖防護及HEMP防護中的器件選擇提供了參考。

TVS二極管；HEMP；累積效應；損傷概率；損毀概率

引言

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

1 實驗設置

開關量輸出電路實現了將感應到的模擬或數字信號轉換成一個開關量信號，繼而輸出控制下一級電路的作用。本實驗所用的開關量輸出電路中起主要防護作用的是兩個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注入對被測器件進行測試，所用HEMP源為直流高壓源。其輸出波形為雙指數波，極性為正極性脈沖，電壓幅值為40 kV可調，上升前沿小于2.5 ns，脈沖持續時間為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，可調電壓值0～2 000 VMAX±10 %，上升時間1 ns±30 %。實驗時脈沖源正負極接于試件正負兩極，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，結果均輸入至數字示波器進行測量存儲，觀察SPD對特定HEMP波形的響應能力和失效閾值[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注入一次脈沖；10脈沖間隔6 dB為傳導注入一次脈沖，結束后間隔大于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果，圖2為限幅性能測試結果波形圖。

表1 限幅電壓測試結果

圖2 限性能測試結果波形圖

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，但達到一定值后趨于穩定。隨著注入電壓繼續增大，輸出電壓波形寬度變窄，尾部出現一個平臺，被箝位到一個較小的值。與此同時，對應于輸出電壓幅值減小的部分，注入電流出現一個凸起的部分，幅值增大，這遵循能量守恒定律。由于電路本身的結構，所以圖2中所示輸出電壓與注入電壓波形相等。該開關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，當器件重啟之后（包括自身重啟、外部強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，除非對硬件進行修理或更換，否則器件將不可以恢復正常狀態。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，該電路的響應特性。實驗結果如表2及圖3所示。

由于實驗設置每種類型脈沖注入時器件個數不等，故得到表2的實驗數據。10次脈沖的情況下，需分兩種脈沖幅值間隔進行遞增，可得到更準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。可以看出單脈沖作用下閾值電壓和電流范圍波動比較大，閾值的穩定性小于10脈沖作用下的穩定性。

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生的焦耳熱持續累積，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對被測電路有比較明顯的累積效應。

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和損毀的器件個數來定義：

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，ND為損毀器件個數，NT為實驗器件總個數[5～6]。根據式（1）和（2）計算出不同類型脈沖作用下損傷概率和損毀概率，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。總體上看，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。這從統計學的角度進一步證實了脈沖累積效應對被測電路的影響。

3 結論

本文通過對開關量輸出電路HEMP傳導注入的研究，可知隨著脈沖幅值的增加，該電路中的防護器件會將過電壓箝位至56.1 V左右；脈沖幅值繼續增加，會對該器件產生損傷；最終，當脈沖幅值達到一定閾值，器件將被損毀。

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

損傷及損毀概率分析結果說明幅值相等時，注入脈沖次數越多，損傷概率越大。這表明被測電路受脈沖次數累積效應明顯。研究所得結論對進一步研究SPD對HEMP的防護有參考意義。

[1]周璧華,陳彬,石立華.電磁脈沖及其防護[M]. 北京： 國防工業出版社, 2003.

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

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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，解放軍理工大學碩士研究生，主要研究方向為電磁脈沖防護技術。

國家自然科學基金（編號：51477183, 51407198）