面向机载离散量芯片接口防雷需求的TVS 结构及工艺设计

摘 要：随着航空技术的发展，电子设备设施已广泛应用于机载系统中，而离散量信号作为飞机航电系统的最重要的信号之一，应用在机电控制信号、设备状态指示信号等多种场景。离散量信号具有产生电路简单、抗干扰能力强的特性，使其非常适合应用于机上电磁环境恶劣位置的信号传输，但这对机载离散量处理芯片的可靠性也提出了极高的要求，因此雷电防护便成为机载离散量处理芯片设计过程中的必要考虑因素。针对机载离散量处理芯片信号接口的雷电防护要求，本文提出了一种瞬态电压抑制器（TVS）阵列结构以及相应工艺设计，用作机载离散量处理芯片的防雷击器件，经测试，该TVS电流能力达到5.26A，且可承受±11kV的静电放电（ESD）应力，具有较强的浪涌和雷电保护能力，因此可以为机载离散量处理芯片中的高速数据接口提供强大的雷击和ESD保护，具有较强的应用价值。

关键词：机载系统； 离散量； 雷电防护； 瞬态电压抑制器； 高速数据接口

中图分类号：TN406 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.012

在飞机的航电系统中，离散量信号被广泛应用于传输机电控制、设备状态指示等，具有产生电路简单、抗干扰能力强的优点，是航电系统中最重要的信号之一。因此离散量信号被大量应用于飞机上电磁环境最恶劣位置的信号传输，这对离散量处理芯片的可靠性提出了极高的要求。雷电作为自然界的普遍现象，其能量和破坏力极强，对离散量信号的传输以及飞行安全有着严重的威胁[1-6]。

瞬态电压抑制器（TVS）是最常用的离散量处理芯片接口的雷电保护器件。TVS是一种二极管类型的用来保护芯片的高效能防护分立器件，具有响应速度快、漏电小、瞬态功率高、体积小等特点，目前已经广泛应用于机电系统、电源设备、电磁干扰抑制、输入输出接口、通信设备、继电器等各个领域的过压保护。当TVS两端受到巨大的瞬态浪涌电流或电压的冲击时，能通过雪崩击穿使自身原本的高阻态转变为低阻态，吸收高达数千瓦的瞬态脉冲功率，并将两端的电压钳位在一个较为安全的预设值，有效地保护电子系统中的精密元器件免受各种外界或内部过压的损伤或损毁[7-14]。

目前，国内外对机载系统的防雷设计的相关研究较为深入，美国自20 世纪60 年代率先开展飞机雷电防护试验研究工作，Littlefuse、安森美等国外公司近年来不断推出超低电容防雷产品，国内也有越来越多的研究所、军工企业和高校设立专门防雷团队开展航空电子领域雷电防护研究，进行片内外大功率防雷器件的设计制造[15-18]。片外分立式TVS会进行专门制造工艺设计，无须考虑是否可集成化的问题，而对机载芯片的雷电防护设计属于片内电路设计，必须考虑可集成情况。因此，本文提出一种基于TVS的全新工艺和模块设计，在现有成熟的集成工艺技术基础上进行优化，实现了低电容、多接口保护的全集成TVS阵列模块防雷需求，用于保护机载芯片在雷电恶劣环境下高频信号传输的完整性。