抗强电磁脉冲干扰的防护电路.pdf

本发明公开了一种抗强电磁脉冲干扰的防护电路，包括大电流开关电路、保护电路、触发电路；所述触发电路的输入端连接被保护端口，在电磁脉冲干扰时，触发大电流开关电路导通；所述大电流开关电路的第一端口连接保护电路的输出端，第二端口连接触发电路的输出端，第三端口接地，当开关电路导通时，可使大电流泄放到地；所述保护电路输入端连接被保护端口，用于保护开关电路。本发明用途广泛，能够将耦合至电子设备的大电流快速泄放到地，并将被保护端口的电压箝位在合适的值。

1.  一种抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：包括大电流开关电路(1)、保护电路(2)、触发电路(3)；所述触发电路(3)的输入端连接被保护端口，在电磁脉冲干扰时，触发大电流开关电路(1)导通；所述大电流开关电路(1)的第一端口连接保护电路(2)的输出端，第二端口连接触发电路(3)的输出端，第三端口接地，当开关电路导通时，可使大电流泄放到地；所述保护电路(2)串联在被保护端口和开关电路(1)之间，用于保护开关电路(1)。

2.  根据权利要求1中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：还包括反向保护电路(4)，一端和被保护端口相连，另一端接地。

3.  根据权利要求1中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：所述大电流开关电路(1)为大电流高速开关电路。

4.  根据权利要求1中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：所述大电流开关电路(1)是由若干个并联的达林顿复合晶体管或者双极性晶体管构成的高速开关电路，大电流开关电路(1)的第一、第二和第三端口分别为晶体管的集电极、基极和发射极。

5.  根据权利要求1中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：所述保护电路(2)由若干个并联的二极管构成，二极管的正极为保护电路(2)的输入端，负极为保护电路(2)的输出端。

6.  根据权利要求1中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：所述触发电路(3)中，由若干二极管串联构成的二极管串D1(5)和二极管D2(6)、电阻R1(7)依次串联并接地，二极管串D1的正极为触发电路的输入端，二极管串D1的负极连接二极管D2的正极，二极管D2的正极为触发电路(3)的输出端。

7.  根据权利要求2中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：所述反向保护电路(4)由若干并联的二极管或者并联的二极管串构成，二极管的正极接地，负极与被保护端口相连。

8.  根据权利要求6中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：所述电阻R1(7)为可调电阻，用以调整箝位电压和大电流开关电路(1)的开启电压。

9.  根据权利要求6中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：所述触发电路(3)中二极管串D1(5)的二极管个数由被保护端口的箝位电压决定。

10.  根据权利要求1中所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，其特征在于：一个被保护端口可以连接至少一个所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路。

抗强电磁脉冲干扰的防护电路
技术领域
本发明涉及半导体器件及其电路系统的保护电路设计领域，尤其涉及一种防高功率电磁脉冲干扰的防护电路。
背景技术
基于现代军事平台上密集封装的微电子设备，以及电磁脉冲(Electromagnetic Pulse，EMP)可以实现非核性，各国军方认为这种EMP效应有着重要的军用价值，开始竞相发展电磁脉冲武器。电磁脉冲武器是一种新式的信息系统攻击武器，它是以光速将作用能量射向敌方，强大的电磁脉冲通过电缆、天线或接线柱等途径进入电子系统及设备，产生很高的瞬时感应电压和电流，将电路击穿甚至将电子系统及设备烧毁，致使敌方C⁴ISR系统、防空系统及其他军用电子装备瘫痪。如今，电子对抗能力的高低已经成为决定战争进程和胜负的重要因素，具有大规模电子杀伤能力的电磁脉冲(EMP)武器的使用已经成为电子战的主要手段，因此研究一种可以抗强电磁脉冲干扰的防护电路变得尤为重要。
使用常规技术产生的EMP特性为：定向性、相应的短作用距离和很宽的电磁频谱范围。以光速传输的EMP的宽带特性的防御极其困难又成本较高，现有EMP武器的主要对抗措施是电磁屏蔽，就是用导电或导磁材料，或用既导电又导磁的材料，制成屏蔽体，将电磁能量限制在一定的空间范围内，使电磁能量从屏蔽体的一面传递到另一面时受到很大削弱。因为EMP具有极宽的频段，设计师必须对低、中、高频段进行屏蔽，并且必须在大量进入电系统的导电通路处安装保护滤波器，如电源线、传输线、天线的输入端。接地、滤波器设计、或屏蔽形状有一处错误就足以使破坏性的EMP进入，整个系统可能被破坏甚至被摧毁。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有EMP防护技术的不足，提供一种抗高功率电磁脉冲干扰的保护电路，能够将耦合至电子设备的大电流快速泄放到地，并将被保护端口的电压箝位在合适的值。
本发明的技术方案是：一种抗强电磁脉冲干扰的防护电路，包括大电流开关电路、保护电路、触发电路；所述触发电路的输入端连接被保护端口，在电磁脉冲干扰时，触发大电流开关电路导通；所述大电流开关电路的第一端口连接保护电路的输出端，第二端口连接触发电路的输出端，第三端口接地，当开关电路导通时，可使大电流泄放到地；所述保护电路输入端连接被保护端口，用于保护开关电路。
本发明的更详细的技术方案是：
所述抗强电磁脉冲干扰的防护电路还包括反向保护电路，一端和被保护端口相连，另一端接地。
所述大电流开关电路为大电流高速开关电路。
所述大电流开关电路是由若干个并联的达林顿复合晶体管或者双极性晶体管构成的高速开关电路，大电流开关电路的第一、第二和第三端口分别为晶体管的集电极、基极和发射极。
所述保护电路由若干个并联的二极管构成，二极管的正极为保护电路的输入端，负极为保护电路的输出端。
所述触发电路中，由若干二极管串联构成的二极管串D1和二极管D2、电阻R1依次串联并接地，二极管串D1的正极为触发电路的输入端，二极管串D1的负极连接二极管D2的正极，二极管D2的正极为触发电路的输出端。
所述反向保护电路由若干并联的二极管或者并联的二极管串构成，二极管的正极接地，负极与被保护端口相连。
所述电阻R1为可调电阻，用以调整箝位电压和开关电路的开启电压。
所述触发电路中二极管串D1的二极管个数由被保护端口的箝位电压决定。
一个被保护端口可以连接至少一个所述的抗强电磁脉冲干扰的防护电路。
本发明的优点是：
1.能够将耦合至电子设备的大电流快速泄放到地，并将电压箝位在合适的值。
2.本发明用途广泛，可以用于电子对抗系统、智能武器系统、广播卫星星载设备系统、雷达系统、移动通信系统等电子设备中信号输入输出端口和集成电路各端口的保护。特别针对双线甚至多线传输线，干扰信号主要为共模信号，不论信号极性是正是负，都能将过电流泄放至地，以保护武器设备和其他军用或民用电子设备与系统在EMP的攻击下不被破坏或摧毁。
3.通过可调电阻可以调整箝位电压和开关电路的开启电压值。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的实施例的结构示意图；
图2为本发明的实施例的大电流开关电路中达林顿管结构的示意图；
图3为实施例的大电流开关电路中另一单个达林顿管结构的示意图。
图4为本发明的实施例的触发电路图；
图5为本发明的实施例的保护电路图；
图6为本发明的实施例的反向保护电路图；
图7为本发明的用于箝位电压为9V的保护电路实施例的泄放电流和电压仿真图；
图8为实施例构成的集成双端口防护电路保护双端口的结构示意图；
图9为实施例构成的集成双端口防护电路保护单端口的结构示意图；
其中：1大电流开关电路；101开关电路的第一端口；102开关电路的第二端口；103开关电路的第三端口；2保护电路；201保护电路的输入端；202保护电路的输出端；3触发电路；301触发电路的输入端；302触发电路的输出端；4反向保护电路；5二极管串D1；6二极管D2；7电阻R1；8被保护端口。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，本实施例的抗强电磁脉冲干扰的防护电路，包括一套大电流开关电路1、保护电路2、触发电路3。触发电路3的输入端连接被保护端口，在电磁脉冲干扰时，触发大电流开关电路1导通。大电流开关电路1的第一端口连接保护电路2的输出端，第二端口连接触发电路3的输出端，第三端口接地，当开关电路导通时，可使大电流泄放到地。保护电路2输入端连接被保护端口，用于保护开关电路1。本实施例的防护电路还包括反向保护电路4，一端和被保护端口相连，另一端接地。本发明中提到的所有接地均指接实地，而非信号地。
大电流开关电路1可以由各种不同类型的大电流高速开关电路构成，例如图2，可以使用若干个并联的达林顿复合晶体管结构构成的高速开关电路，也可以使用双极性晶体管构成的高速开关电路。在图2中，晶体管的集电极、基极和发射极分别为大电流开关电路1的第一、第二和第三端口。晶体管的发射极接地。
如图3所示，也可以将组成的达林顿管的第一晶体管的发射极和第二晶体管的基极相连，之间串联有压舱电阻R2(ballasting resistor)，并在其上并联一个加速电容C₁，用以提高晶体管的开启速度，此电容为可以为MIM电容(Metal1-Insulator-Metal2)，这样可以有效的避免晶体管的热溃散(thermal runaway)问题，同时亦保有晶体管的优越操作特性。
本实施例的保护电路2如图4所示，由若干个并联的二极管构成，可以等效为一个面积为所有并联二极管之和的二极管D3，能够承受大电流，用于保护大电流开关电路，二极管的正极为保护电路2的输入端，负极为保护电路2的输出端。保护电路2用于保护开关电路，同时与开关电路一起组成大电流泄放的通路，另外，二极管D3可以降低漏电流以及负载电容，由于D3自身有一定的电容，此电容与开关电路的寄生电路串联，两电容串联，使电容值变小。保护电路2所用的二极管的数目K由最大泄放电流I_max和二极管的最大电流密度决定。
本实施例的触发电路3如图5所示，包括依次串联的由若干二极管串联构成的二极管串D15和二极管D26、电阻R17，二极管串D1的第一个二极管的正极为触发电路的输入端，二极管串D1的最后一个二极管的负极连接二极管D2的正极，二极管D2的正极为触发电路3的输出端，负极连接电阻R1。在存在强电磁脉冲干扰时，二极管D26和电阻R17确定了开关电路触发的阈值。假设各二极管的开启电压大致相同，为V_on，电阻R1的阻值为R_T，流过电阻的电流为I_T，箝位电压为V_q，触发电路3共含有N个串联的二极管，则满足
V_on·N+I_T·R_T＝V_q    (1)
可见，二极管串D1中含有的二极管的数目N-1和箝位电压的大小有关。二极管串中所用的二极管的个数可以根据所需要的被保护端口的箝位电压来确定。若其余参数不变，改变R_T，则箝位电压也相应变化。因此R_T可以为可调电阻，通过调节R_T可以调整被保护端口的箝位电压V_q和开关电路的开启电压。
大电流开关电路1的基极电压，即触发电路内二极管D2和电阻R1上的电压之和，当达到晶体管的开启电压阈值后，大电流开关电路导通，使耦合至被保护端口的大电流能够通过保护电路2、大电流开关电路1的晶体管快速泄放到地。同时，开关电路使触发电路3的输出端电压保持为开关电路的基极电压，又由于二极管的开启电压是恒定的，从而将使触发电路的输入端即被保护端口的电压箝位到安全的箝位电压上。
假设大电流开关电路1中所需的最少的并联晶体管的数目为M，晶体管安全工作电压为U_P，电压浮动系数为k，晶体管导通电阻为R_on，总最大泄放电流为I_max，则满足：
Up(1+k)=Imax·RonM---(2)]]>
本实施例的反向保护电路4如图6所示，是若干并联的二极管或者并联的二极管串构成的二极管D4，二极管的正极接地，负极与被保护端口相连。由于二极管的反向击穿电压很高，用于组成反向泄放电路。
如图7所示为用于箝位电压为9V的保护电路的泄放电流和电压仿真图。三角标识的曲线是泄放电流的曲线，方块标识的曲线是箝位电压的曲线，在强电磁脉冲干扰到来时，大电流开关电路快速导通，使大电流快速泄放，箝位电压突变不大，并在几纳秒的时间内就能恢复稳定在设定的值。
本实施例的保护电路2、触发电路3和反向保护电路4中使用的二极管也可以用三极管的基极-集电极或者基极-发射极来实现，对于NPN型的晶体管，基极相当于二极管的正极，集电极或者发射机相当于二极管的负极，对于PNP型的晶体管则正好相反。
当将保护电路做在单片微波集成电路中时，保护电路可以采用异质结双极性晶体管。与普通的硅双极晶体管相比，砷化镓异质结双极性晶体管具有更好的高频特性、绝缘性能及更高的电流增益，并且砷化镓异质结双极性晶体管还具有能承受较大电流密度以及对光刻精度要求低等优点。对于同样功率输出的芯片，采用异质结双极性晶体管器件能大大减小芯片尺寸从而降低芯片的成本。砷化镓异质结双极型晶体管以达林顿结构连接，组成大电流的高速开关电路。若做成单片集成电路时，将可调电阻R1置于片外，便于调节。
根据被保护端口的数目，选择防护电路的数量，每一个被保护电路用一个防护电路。可以由2个本实施例的保护电路组成一个集成双端口防护电路用于双端口的保护，如图8所示，两个同样的本实施例的保护电路在集成双端口防护电路中镜像对称放置，共用接地端，每一个保护电路连接一个被保护端口。对于双线传输线，干扰信号主要是共模信号，不论信号极性是正是负，集成的双端口防护电路都能将大电流泄放到地，因此属于无极性防护电路。同理可以制作四端口、八端口或更多端口的集成防护电路来保护受强电磁脉冲干扰的端口。
同样，一个被保护端口也可以连接多个本发明的实施例的防护电路。当连接多个防护电路时，能抗更高功率的电磁脉冲干扰。如图9所示，以一个被保护端口连接2个防护电路为例说明，可以用两个本实施例的保护电路镜像对称放置，共用接地端，做成集成双端口防护电路，接被保护端口的两个端口接到一起，防护功率可以提高一倍。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。