隨著軍用飛機(jī)采用碳復(fù)合材料機(jī)身并攜帶越來越多的電傳操縱航空電子設(shè)備，防雷變得越來越重要。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）組件能夠滿足兩個頂級航空標(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，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或多個點(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，商業(yè)、航空航天和國防工業(yè)越來越多地使用碳復(fù)合材料而不是傳統(tǒng)的鋁合金機(jī)身來減輕重量，同時提高結(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，這些撞擊會損壞敏感的電子元件。

測試?yán)纂娔褪苄?/p>

美國航空無線電技術(shù)委員會（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)定了多個瞬態(tài)波形參數(shù)，包括幅度、上升時間、衰減時間、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。對于 DO-160 的電纜束測試，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，上升時間非常快（表示為di/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，盡管各個瞬變在其最大額定值范圍內(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)手冊參數(shù)以及它們?nèi)绾问芷骷Y(jié)構(gòu)影響非常重要。

一個數(shù)據(jù)手冊參數(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，不會發(fā)生熱量積聚。一些數(shù)據(jù)手冊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)束的短時間（1毫秒或更短）的短暫瞬態(tài)事件，散熱器被認(rèn)為是無關(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)人員可能會認(rèn)為，即使它們沒有根據(jù)在外殼、引線或端蓋測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)。由于不同的時間常數(shù)適用于上升和衰減曲線，因此在 6.4/69 微秒時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。在較長脈沖的情況下，峰值功率值會降低，以確保內(nèi)部p-n結(jié)溫不會過高。

此時，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。對于大功率TVS，可以堆疊多個半導(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。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)和通過外殼的對流繼續(xù)。從（p-n）結(jié)到引線或環(huán)境溫度的熱阻相對較高，特別是TVS封裝內(nèi)堆疊芯片設(shè)計中心的多個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，但對于更高的骰子，它會變質(zhì)。頂部的熱路徑也很差，因為最后一個二極管只能通過鍵合線或小夾子連接到第二個電氣端子。

在DO-160多沖程瞬態(tài)波形中，一個峰值瞬態(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%。對于軸向引線設(shè)計和表面貼裝堆棧，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)，并且不會在脈沖序列的時間尺度內(nèi)有效地擴(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或兩個大面積半導(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€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，僅采用一個或兩個大面積半導(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)一步改善雷電測試器件響應(yīng)。該電流路徑對于在具有快速上升時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，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