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：
本發(fā)明涉及半導體器件及其電路系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)展電磁脈沖武器。電磁脈沖武器是一種新式的信息系統(tǒng)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(tǒng)及設備，產(chǎn)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(tǒng)及設備燒毀，致使敵方dlSR系統(tǒng)、防空系統(tǒng)及其他軍用電子裝備癱瘓。如今，電子對抗能力的高低已經(jīng)成為決定戰(zhàn)爭進程和勝負的重要因素，具有大規(guī)模電子殺傷能力的電磁脈沖(EMP)武器的使用己經(jīng)成為電子戰(zhàn)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(guī)技術產(chǎn)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?shù)腅MP的寬帶特性的防御極其困難又成本較高，現(xiàn)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?zhèn)鬟f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(tǒng)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(tǒng)可能被破壞甚至被摧毀。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)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。
本發(fā)明的技術方案是 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(fā)電路；所述觸發(fā)電路的輸入端連接被保護端口，在電磁脈沖干擾時，觸發(fā)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(fā)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。
本發(fā)明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丌關電路。
所述大電流開關電路是由若干個并聯(lián)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(fā)射極。
所述保護電路由若干個并聯(lián)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(fā)電路中，由若干二極管串聯(lián)構成的二極管串Dl和二極管D2、 電阻R1依次串聯(lián)并接地，二極管串Dl的正極為觸發(fā)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(fā)電路的輸出 端。
所述反向保護電路由若干并聯(lián)的二極管或者并聯(lián)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(fā)電路中二極管串Dl的二極管個數(shù)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。
本發(fā)明的優(yōu)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. 本發(fā)明用途廣泛，可以用于電子對抗系統(tǒng)、智能武器系統(tǒng)、廣播衛(wèi) 星星載設備系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)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
5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(tǒng)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。


下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一歩描述圖1為本發(fā)明的實施例的結構示意圖2為本發(fā)明的實施例的大電流開關電路中達林頓管結構的示意圖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為本發(fā)明的實施例的觸發(fā)電路圖5為本發(fā)明的實施例的保護電路圖6為本發(fā)明的實施例的反向保護電路圖7為本發(fā)明的用于箝位電壓為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(fā)電路；301觸發(fā)電路的輸入端；302觸發(fā)電路的輸出端；4反向保護電路；5 二極管串D1; 6 二極管D2; 7電阻Rl; 8被保護端口。
具體實施例方式
實施例l: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(fā)電路3。觸發(fā)電路3的輸入端連接被保護端口，在電磁脈沖干擾時，觸發(fā)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(fā)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l。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。本發(fā)明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(lián)的達林頓復合品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(fā)射極分別為大電流開關電路1的第一、第二和第三端口 。品體管的發(fā)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(fā)射極和第二晶體管的基極相連，之間串聯(lián)有壓艙電阻R2(ballasting resistor),并在其上并聯(lián)一個加速電容d，用以提高品體管的開啟速度，此電容為可以為MIM電容(Metall-Insulator-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(yōu)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(lián)的二極管構成，可以等效為一個面積為所有并聯(lián)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(lián)，兩電容串聯(lián)，使電容值變小。保護電路2所用的二極管的數(shù)目K由最大泄放電流Imx和二極管的最大電流密度決定。
本實施例的觸發(fā)電路3如圖5所示，包括依次串聯(lián)的由若干二極管串聯(lián)構成的二極管串Dl 5和二極管D2 6、電阻R1 7, 二極管串D1的第一個二極管的正極為觸發(fā)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(fā)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D2 6和電阻R1 7確定了開關電路觸發(fā)的閾值。假設各二極管的開啟電壓大致相同，為VQn，電阻Rl的阻值為Rt，流過電阻的電流為Lr，箝位電壓為Vq，觸發(fā)電路3共含有N個串聯(lián)的二極管，則滿足
K,W + /,A=^ (1)
可見，二極管串Dl中含有的二極管的數(shù)目N—l和箝位電壓的大小有關。二極管串中所用的二極管的個數(shù)可以根據(jù)所需要的被保護端口的箝位電壓來確定。若其余參數(shù)不變，改變Ri，則箝位電壓也相應變化。因此Rt可以
7為可調電阻，通過調節(jié)RT可以調整被保護端口的箝位電壓Vq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(fā)電路內二極管D2和電阻Rl上的電壓之和，當達到品體管的開啟電壓閾值后，大電流丌關電路導通，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(fā)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(fā)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(lián)晶體管的數(shù)目為M，晶體管安全工作電壓為Up，電壓浮動系數(shù)為k，晶體管導通電阻為R。n，總最大泄放電流為Iraax，則滿足
+ " = (2)
本實施例的反向保護電路4如圖6所示，是若干并聯(lián)的二極管或者并聯(lián)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，在強電磁脈沖千擾到來時，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(wěn)定在設定的值。
本實施例的保護電路2、觸發(fā)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一集電極或者基極一發(fā)射極來實現(xiàn)，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(fā)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(yōu)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，組成大電流的高速丌關電路。若做成單片集成電路時，將可調電阻R1置于片外，便于調節(jié)。
根據(jù)被保護端口的數(shù)目，選擇防護電路的數(shù)量，每一個被保護電路用一
個防護電路?？梢杂?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發(fā)明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，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不能以此限定本發(fā)明實施的范圍，凡依本發(fā)明權利要求及說明書內容所作的簡單的變換，皆應仍屬于本發(fā)明覆蓋的保護范圍。
權利要求
1.一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(fā)電路(3)；所述觸發(fā)電路(3)的輸入端連接被保護端口，在電磁脈沖干擾時，觸發(fā)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(fā)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(lián)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(jù)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(jù)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)為大電流高速開關電路。
4. 根據(jù)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(lián)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(fā)射極。
5. 根據(jù)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(lián)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(jù)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(fā)電路(3)中，由若干二極管串聯(lián)構成的二極管串Dl (5)和二極管D2 (6)、電阻Rl (7)依次串聯(lián)并接地，二極管串Di的正極為觸發(fā)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(fā)電路(3)的輸出端。
7. 根據(jù)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(lián)的二極管或者并聯(lián)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(jù)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(jù)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(fā)電路(3)中二極管串Dl (5)的二極管個數(shù)由被保護端口的箝位電壓決定。
10.根據(jù)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。
全文摘要
本發(fā)明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(fā)電路；所述觸發(fā)電路的輸入端連接被保護端口，在電磁脈沖干擾時，觸發(fā)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(fā)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。本發(fā)明用途廣泛，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H02H9/04GK101673944SQ20091017480
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權日2009年10月16日
發(fā)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