使用优化的TVS设备保护飞机子系统

随着军用飞机采用碳复合材料机身并携带越来越多的电传操纵航空电子设备，防雷变得越来越重要。满足最新严格的防雷标准需要仔细选择瞬态电压抑制器 （TVS） 器件。

航空航天和国防工业已经制定了保护机载军用航空电子系统免受雷击的标准。很少有现成的瞬态电压抑制器（TVS）组件能够满足两个顶级航空标准机构制定的最新浪涌规范，并且较差的热性能导致非常高的结温以及性能受损或故障。新的TVS结构通过显著降低结到散热器的热阻和处理多冲程测试序列，最大限度地减少二极管（p-n）结区域的破坏性热量积聚，避免了这些问题。

闪电问题

虽然飞机雷击并不少见，但它们很少引起问题。当全金属飞机被闪电击中时，它的皮肤成为螺栓传导路径的一部分。电离气体通道在两个或多个点短暂地附着在结构上，金属蒙皮充当法拉第笼。电流流过结构的外表面，虽然飞机内部的感应场没有被消除，但它们至少是可控的。

随着电传操纵架构的普及，防雷变得越来越重要，这些架构通过飞机的数据总线和电源布线承载主要的飞行控制命令。与此同时，商业、航空航天和国防工业越来越多地使用碳复合材料而不是传统的铝合金机身来减轻重量，同时提高结构强度。空客350和380以及波音787等飞机上的重要皮肤区域现在使用碳复合材料制造。这些材料接近传统金属机身材料的防雷性能，但与金属等效材料相比，它们所包围的飞行系统的屏蔽更少。

金属以及更大程度上的碳复合材料机身都需要优化的TVS组件，以充分保护它们免受雷击。如果没有足够的TVS保护，当超过其最大额定电压或额定功率时，这些撞击会损坏敏感的电子元件。

测试雷电耐受性

美国航空无线电技术委员会（RTCA）和欧洲民用航空电子组织（EUROCAE）定义了RTCA/DO-160E和EUROCAE/ED-14E（以及ISO-7137）的统一标准，用于金属和碳复合材料机身在商业和军事应用中必须容忍的雷电相关干扰水平。DO-160要求航空电子子系统能够承受直接打击脉冲以及由每次雷击引起的瞬态电磁场引起的脉冲。该规范涵盖了单冲程、多冲程和多突发序列中的冲击脉冲。DO-160 标准规定了多个瞬态波形参数，包括幅度、上升时间、衰减时间、重复次数和重复率。

详细分析表明，典型的负击包括 1 到 11 次单独的冲程，最多 24 次。这些被认为是以大约60毫秒的间隔发生的单独电荷区域的放电。对于 DO-160 的电缆束测试，飞机在第一次冲程中必须承受高达 640 V，在随后的冲程中必须承受高达 320 V 的电压，单冲程必须承受高达 1，600 V 的电压。

图1所示的TVS电路布置有助于保护航空电子子系统内部和之间的信号线免受直接雷击引起的瞬变的影响。它还旨在保护终端和接口设备免受飞机中其他接口设备传导到这些信号线的瞬变的影响。

图1：涉及TVS保护的典型电路可保护航空电子设备免受雷击引起的瞬变。

由于直接或诱导效应而出现在互连线路上的瞬变必须由TVS设备转移到地面，然后才能进入并破坏连接两端的终端设备。感应效应是瞬态的电容或电感耦合，上升时间非常快（表示为di/dt或dv/dt，分别指电流或电压的变化率）。

航空电子设备TVS总是半导体器件，例如p-n结雪崩击穿二极管（ABD），与其他类型的并联保护器件相比，它在钳位方面表现出色。ABD 在更低的钳位电压下提供比金属氧化物压敏电阻 （MOV） 器件更高的效率;例如，ABD的钳位电压比（VC/VBR）通常为1.35，而MOV的钳位电压比为3。MOV也可能因重复瞬变而退化，尽管各个瞬变在其最大额定值范围内。为了处理雷电浪涌保护指定的瞬态电平，TVS器件采用单二极管芯片或串联二极管骰子堆栈的形式，用于高功率器件。

解决散热挑战

由于其结构，许多TVS器件不允许内部耗散的热量足够快地逸出，以保持半导体器件的最大工作范围以下的结温。充分了解TVS数据手册参数以及它们如何受器件结构影响非常重要。

一个数据手册参数是峰值脉冲功率（PPP），它是根据随机发生的事件指定的，这些事件间隔间隔足够长，不会发生热量积聚。一些数据手册提到了浪涌事件之间的间隔，并提供比指定的峰值额定功率低得多的直流额定功率。在这些情况下，应使用散热器布置指定直流条件，以管理稳态条件。相比之下，在热量到达TVS外部之前结束的短时间（1毫秒或更短）的短暂瞬态事件，散热器被认为是无关紧要的。开发人员必须使用相同的条件仔细解释比较数据手册信息。

热管理与脉冲事件的扩展、快速重复率相关 - 任何具有施加的重复浪涌占空比，其中该占空比的平均计算功率超过其直流功率额定值，包括任何直流电源散热器要求。问题是累积加热效应。开发人员可能会认为，即使它们没有根据在外壳、引线或端盖测量的受控温度背景下的表达方式明确定义，也存在强大的散热装置。

重要的是要了解TVS设备通常以非常低的功率运行，在发生瞬态之前具有非常低的自热效应。这有助于TVS单元优化瞬态性能，并避免其自身自热效应可能造成的温度降额，例如，如果将其用作齐纳二极管或用于功率连续耗散的连续电压调节。

其他关键的TVS数据手册参数包括VWM漏电流的钳位电压（VC）、最大工作或关断电压（VWM）和待机电流（ID），TVS在瞬态发生之前正常工作。在低待机电流下，TVS 器件在任何随机重复出现的浪涌事件之间以非常低的功率闲置即可正常运行。

用于定义TVS器件性能和测试其响应的脉冲形状通常是具有指数上升和衰减波形的瞬态。由于不同的时间常数适用于上升和衰减曲线，因此在 6.4/69 微秒时的典型额定功率可能为 130 kW。这意味着该器件可以安全地耗散瞬态，该瞬态在功率水平为130 kW时达到峰值，脉冲形状在6.4微秒内上升到最大值，并在69微秒内从峰值衰减到50%水平。在较长脉冲的情况下，峰值功率值会降低，以确保内部p-n结温不会过高。

此时，必须考虑TVS器件结构以保证有效的散热。一种制造方法是轴向引线设计。对于大功率TVS，可以堆叠多个半导体骰子，以实现所需的关断电压特性。这将在浪涌事件期间为相同的峰值脉冲电流（IPP）实现更大的PPP能力，此时二极管两端的电压超过雪崩击穿的指定值，并开始箝位或限制瞬态电压。

然而，带有堆叠骰子的轴向引线结构为将器件直接安装在散热器上以改善散热提供了最小的机会。热路径从二极管骰子堆叠中的热量消散处开始，并通过引线传导和通过外壳的对流继续。从（p-n）结到引线或环境温度的热阻相对较高，特别是TVS封装内堆叠芯片设计中心的多个p-n结。

或者，骰子可以组装在表面贴装堆栈中，裸露的底座接触垫同时用作电接触和热接触。虽然导热系数从最低的芯片到基板是有效的，但对于更高的骰子，它会变质。顶部的热路径也很差，因为最后一个二极管只能通过键合线或小夹子连接到第二个电气端子。

在DO-160多冲程瞬态波形中，一个峰值瞬态之后是一系列脉冲，在1.5秒内达到原始峰值电平的50%。对于轴向引线设计和表面贴装堆栈，这些快速多冲程的有效PPP降额将大大大于宽间隔、随机重复脉冲的规定。热量将积聚在半导体器件堆栈内，并且不会在脉冲序列的时间尺度内有效地扩散到散热器或环境。这在间隔可能短至 10 毫秒的多次冲程中尤其困难。

使用新的TVS结构优化热性能

图2显示了避免上述限制的TVS结构。在本例中，美高森美的PLAD塑料器件仅使用一个或两个大面积半导体芯片（取决于PPP额定值）连接到大触点/导热焊盘。顶部触点由铜夹而不是引线键合形成。夹子离开封装并充当第二个电触点，以提供额外的热路径。这种结构的结到散热器热阻为0.2°C/W，这最大限度地减少了DO-160多冲程测试序列期间p-n结附近的破坏性热量积聚。

图2：下一代TVS结构避免了早期方法的局限性，仅采用一个或两个大面积半导体芯片直接连接到大型接触/导热焊盘。

半导体元件和触点之间的键合连接技术减轻了瞬态事件期间发生的任何加热相关的机械应力。器件可以制造成低于 3.3 mm 的外形，并具有低电感电流路径，以进一步改善雷电测试器件响应。该电流路径对于在具有快速上升时间的高电流瞬变期间降低电感是必需的。

高幅度di/dt（电流变化率）将导致电压过冲（表示为v = Ldi/dt），超出TVS器件的钳位电压。当用作需要保护的敏感元件上的并联分流路径时，这些寄生效应影响钳位电压性能和效率。

更安全的天空

采用碳复合材料蒙皮的军用飞机中电传操纵系统的普及导致了更强大的防雷标准，而使用传统的TVS结构很难支持这些标准。新的封装技术显著提高了热性能，使TVS器件能够满足当今苛刻的多次突发浪涌保护要求。

审核编辑：郭婷