專利名稱：抗強電磁脈沖干擾的防護電路的制作方法
技術領域：
本實用新型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沖干擾的防護電路。
背景技術：
基于現代軍事平臺上密集封裝的微電子設備，以及電磁脈沖(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 發展電磁脈沖武器。電磁脈沖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，強大的電磁脈沖通過電纜、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C4ISR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沖(EMP)武器的使用已經成為電子戰 的主要手段，因此研究一種可以抗強電磁脈沖干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 范圍。以光速傳輸的EMP的寬帶特性的防御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，制成屏蔽體，將電 磁能量限制在一定的空間范圍內，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，并且必須在大量進 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。
發明內容本實用新型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 功率電磁脈沖干擾的保護電路，能夠將耦合至電子設備的大電流快速泄放到地，并將被保 護端口的電壓箝位在合適的值。本實用新型的技術方案是一種抗強電磁脈沖干擾的防護電路，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端口，在電磁脈沖干擾時，觸 發大電流開關電路導通；所述大電流開關電路的第一端口連接保護電路的輸出端，第二端 口連接觸發電路的輸出端，第三端口接地，當開關電路導通時，可使大電流泄放到地；所述 保護電路輸入端連接被保護端口，用于保護開關電路。本實用新型的更詳細的技術方案是所述抗強電磁脈沖干擾的防護電路還包括反向保護電路，一端和被保護端口相 連，另一端接地。所述大電流開關電路為大電流高速開關電路。所述大電流開關電路是由若干個并聯的達林頓復合晶體管或者雙極性晶體管構 成的高速開關電路，大電流開關電路的第一、第二和第三端口分別為晶體管的集電極、基極和發射極。所述保護電路由若干個并聯的二極管構成，二極管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，由若干二極管串聯構成的二極管串Dl和二極管D2、電阻Rl依次串聯并接地，二極管串Dl的正極為觸發電路的輸入端，二極管串Dl的負極連接二極管D2 的正極，二極管D2的正極為觸發電路的輸出端。所述反向保護電路由若干并聯的二極管或者并聯的二極管串構成，二極管的正極 接地，負極與被保護端口相連。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管串Dl的二極管個數由被保護端口的箝位電壓決定。一個被保護端口可以連接至少一個所述的抗強電磁脈沖干擾的防護電路。本實用新型的優點是1.能夠將耦合至電子設備的大電流快速泄放到地，并將電壓箝位在合適的值。2.本實用新型用途廣泛，可以用于電子對抗系統、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端口和集成電路各端口的保 護。特別針對雙線甚至多線傳輸線，干擾信號主要為共模信號，不論信號極性是正是負，都 能將過電流泄放至地，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。以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述
圖1為本實用新型的實施例的結構示意圖；圖2為本實用新型的實施例的大電流開關電路中達林頓管結構的示意圖；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為本實用新型的實施例的觸發電路圖；圖5為本實用新型的實施例的保護電路圖；圖6為本實用新型的實施例的反向保護電路圖；圖7為本實用新型的用于箝位電壓為9V的保護電路實施例的泄放電流和電壓仿 真圖；圖8為實施例構成的集成雙端口防護電路保護雙端口的結構示意圖；圖9為實施例構成的集成雙端口防護電路保護單端口的結構示意圖；其中1大電流開關電路；101開關電路的第一端口 ；102開關電路的第二端口 ； 103開關電路的第三端口 ；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 二極管串Dl ；6 二極管D2 ；7電阻Rl ；8被保護端口。
具體實施方式
實施例1 如圖1所示，本實施例的抗強電磁脈沖干擾的防護電路，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端口，在電磁脈沖干擾時，觸發大電流開關電路1導通。大電流開關電路1的第一端口連接保護電路2的輸 出端，第二端口連接觸發電路3的輸出端，第三端口接地，當開關電路導通時，可使大電流 泄放到地。保護電路2輸入端連接被保護端口，用于保護開關電路1。本實施例的防護電路 還包括反向保護電路4，一端和被保護端口相連，另一端接地。本實用新型中提到的所有接 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 以使用若干個并聯的達林頓復合晶體管結構構成的高速開關電路，也可以使用雙極性晶體 管構成的高速開關電路。在圖2中，晶體管的集電極、基極和發射極分別為大電流開關電路 1的第一、第二和第三端口。晶體管的發射極接地。如圖3所示，也可以將組成的達林頓管的第一晶體管的發射極和第二晶體管的基 極相連，之間串聯有壓艙電阻R2 (ballasting resistor)，并在其上并聯一個加速電容C1, 用以提高晶體管的開啟速度，此電容為可以為MIM電容(Metall-InSulat0r-Meta12)，這樣 可以有效的避免晶體管的熱潰散(thermal runaway)問題，同時亦保有晶體管的優越操作 特性。本實施例的保護電路2如圖4所示，由若干個并聯的二極管構成，可以等效為一個 面積為所有并聯二極管之和的二極管D3，能夠承受大電流，用于保護大電流開關電路，二極 管的正極為保護電路2的輸入端，負極為保護電路2的輸出端。保護電路2用于保護開關 電路，同時與開關電路一起組成大電流泄放的通路，另外，二極管D3可以降低漏電流以及 負載電容，由于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所用的二極管的數目K由最大泄放電流Imax和二極管的最大電流 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管串聯構成的二 極管串D15和二極管D26、電阻R17，二極管串Dl的第一個二極管的正極為觸發電路的輸入 端，二極管串Dl的最后一個二極管的負極連接二極管D2的正極，二極管D2的正極為觸發 電路3的輸出端，負極連接電阻Rl。在存在強電磁脈沖干擾時，二極管D26和電阻R17確定 了開關電路觸發的閾值。假設各二極管的開啟電壓大致相同，為V。n，電阻Rl的阻值為RT， 流過電阻的電流為It，箝位電壓為Vq，觸發電路3共含有N個串聯的二極管，則滿足<formula>formula see original document page 5</formula>(1)可見，二極管串Dl中含有的二極管的數目N-I和箝位電壓的大小有關。二極管串 中所用的二極管的個數可以根據所需要的被保護端口的箝位電壓來確定。若其余參數不 變，改變RT，則箝位電壓也相應變化。因此Rt可以為可調電阻，通過調節Rt可以調整被保護 端口的箝位電壓\和開關電路的開啟電壓。大電流開關電路1的基極電壓，即觸發電路內二極管D2和電阻Rl上的電壓之和， 當達到晶體管的開啟電壓閾值后，大電流開關電路導通，使耦合至被保護端口的大電流能 夠通過保護電路2、大電流開關電路1的晶體管快速泄放到地。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，又由于二極管的開啟電壓是恒定的，從而將使 觸發電路的輸入端即被保護端口的電壓箝位到安全的箝位電壓上。假設大電流開關電路1中所需的最少的并聯晶體管的數目為M，晶體管安全工作電壓為up，電壓浮動系數為k，晶體管導通電阻為R。n，總最大泄放電流為Imax，則滿足Up(l + k) =Imax.Rvn/M(2)本實施例的反向保護電路4如圖6所示，是若干并聯的二極管或者并聯的二極管 串構成的二極管D4，二極管的正極接地，負極與被保護端口相連。由于二極管的反向擊穿電 壓很高，用于組成反向泄放電路。如圖7所示為用于箝位電壓為9V的保護電路的泄放電流和電壓仿真圖。三角標識 的曲線是泄放電流的曲線，方塊標識的曲線是箝位電壓的曲線，在強電磁脈沖干擾到來時， 大電流開關電路快速導通，使大電流快速泄放，箝位電壓突變不大，并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中使用的二極管也可以用三 極管的基極-集電極或者基極_發射極來實現，對于NPN型的晶體管，基極相當于二極管的 正極，集電極或者發射機相當于二極管的負極，對于PNP型的晶體管則正好相反。當將保護電路做在單片微波集成電路中時，保護電路可以采用異質結雙極性晶體 管。與普通的硅雙極晶體管相比，砷化鎵異質結雙極性晶體管具有更好的高頻特性、絕緣性 能及更高的電流增益，并且砷化鎵異質結雙極性晶體管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。對于同樣功率輸出的芯片，采用異質結雙極性晶體管器件能大大 減小芯片尺寸從而降低芯片的成本。砷化鎵異質結雙極型晶體管以達林頓結構連接，組成 大電流的高速開關電路。若做成單片集成電路時，將可調電阻Rl置于片外，便于調節。根據被保護端口的數目，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端口防護電路用于雙端口的保護，如 圖8所示，兩個同樣的本實施例的保護電路在集成雙端口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端口。對于雙線傳輸線，干擾信號主要是共模信 號，不論信號極性是正是負，集成的雙端口防護電路都能將大電流泄放到地，因此屬于無極 性防護電路。同理可以制作四端口、八端口或更多端口的集成防護電路來保護受強電磁脈 沖干擾的端口。同樣，一個被保護端口也可以連接多個本實用新型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沖干擾。如圖9所示，以一個被保護端口連接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 雙端口防護電路，接被保護端口的兩個端口接到一起，防護功率可以提高一倍。以上所述，僅為本實用新型的優選實施例，并不能以此限定本實用新型實施的范 圍，凡依本實用新型權利要求及說明書內容所作的簡單的變換，皆應仍屬于本實用新型的 保護范圍。
權利要求一種抗強電磁脈沖干擾的防護電路，其特征在于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端口，在電磁脈沖干擾時，觸發大電流開關電路(1)導通；所述大電流開關電路(1)的第一端口連接保護電路(2)的輸出端，第二端口連接觸發電路(3)的輸出端，第三端口接地，當開關電路導通時，可使大電流泄放到地；所述保護電路(2)串聯在被保護端口和開關電路(1)之間，用于保護開關電路(1)。
2.根據權利要求1中所述的抗強電磁脈沖干擾的防護電路，其特征在于還包括反向 保護電路(4)，一端和被保護端口相連，另一端接地。
3.根據權利要求1中所述的抗強電磁脈沖干擾的防護電路，其特征在于所述大電流 開關電路⑴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沖干擾的防護電路，其特征在于所述大電流 開關電路(1)是由若干個并聯的達林頓復合晶體管或者雙極性晶體管構成的高速開關電 路，大電流開關電路(1)的第一、第二和第三端口分別為晶體管的集電極、基極和發射極。
5.根據權利要求1中所述的抗強電磁脈沖干擾的防護電路，其特征在于所述保護電 路(2)由若干個并聯的二極管構成，二極管的正極為保護電路(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沖干擾的防護電路，其特征在于所述觸發電 路(3)中，由若干二極管串聯構成的二極管串Dl (5)和二極管D2 (6)、電阻Rl (7)依次串聯 并接地，二極管串Dl的正極為觸發電路的輸入端，二極管串Dl的負極連接二極管D2的正 極，二極管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沖干擾的防護電路，其特征在于所述反向保 護電路(4)由若干并聯的二極管或者并聯的二極管串構成，二極管的正極接地，負極與被 保護端口相連。
8.根據權利要求6中所述的抗強電磁脈沖干擾的防護電路，其特征在于所述電阻 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沖干擾的防護電路，其特征在于所述觸發電 路(3)中二極管串Dl (5)的二極管個數由被保護端口的箝位電壓決定。
10.根據權利要求1中所述的抗強電磁脈沖干擾的防護電路，其特征在于一個被保護 端口可以連接至少一個所述的抗強電磁脈沖干擾的防護電路。
專利摘要本實用新型公開了一種抗強電磁脈沖干擾的防護電路，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端口，在電磁脈沖干擾時，觸發大電流開關電路導通；所述大電流開關電路的第一端口連接保護電路的輸出端，第二端口連接觸發電路的輸出端，第三端口接地，當開關電路導通時，可使大電流泄放到地；所述保護電路輸入端連接被保護端口，用于保護開關電路。本實用新型用途廣泛，能夠將耦合至電子設備的大電流快速泄放到地，并將被保護端口的電壓箝位在合適的值。
文檔編號H02H9/02GK201562958SQ20092026850
公開日2010年8月25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