TVS二极管HEMP响应特性统计分析

杜鸣心，石立华，周颖慧，富志凯

（解放军理工大学 电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室, 南京 210007）

TVS二极管HEMP响应特性统计分析

杜鸣心，石立华，周颖慧，富志凯

（解放军理工大学 电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室, 南京 210007）

针对瞬态电压抑制（TVS）二极管对高空核爆炸产生的电磁脉冲(HEMP)的防护问题，研究了不同类型脉冲传导注入至被 测电路，分别测得了限幅电压、损伤阈值电压、损毁阈值电压和损毁阈值电流，计算出了不同类型脉冲作用下损伤概率和损毁概率。结果表明被测电路受到了注入脉冲次数累积效应的影响，脉冲次数越多，其阈值电压和阈值电流会越低。研究结果为微电子设备的电磁脉冲防护及HEMP防护中的器件选择提供了参考。

TVS二极管；HEMP；累积效应；损伤概率；损毁概率

引言

微电子器件在现代电子设备中的应用越来越广泛，其性能下降乃至损毁将对整个设备产生灾难性的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲（HEMP），上升前沿时间约为2.3 ns，峰值场强可达 50 kV/ m，会通过天线、各种金属线缆、孔洞缝隙等途径，在系统中耦合出幅度非常高的传导干扰环境，损伤甚至烧毁电子元器件[1]。因此，研究HEMP对微电子设备的效应，对保障各种军用或民用的电子信息系统的安全运行都具有非常重要的意义。国内外很多学者对微电子设备HEMP效应进行了研究，对SPD的LEMP和HEMP响应特性也进行过测试[7～8]。但他们只是进行单次实验，没有对EMP累积效应进行研究。本文基于一个开关量输出保护电路，其防护器件为二极管（1N6381）和二极管（1N6374）的反向串联，研究不同脉冲次数和不同脉冲峰值递增间隔情况下发生损伤效应时注入电压和注入电流的分布规律及其累积效应，并分别计算每种情况下损伤概率曲线和损毁概率，为电子设备在该类电磁环境下的防护提供依据。

1 实验设置

开关量输出电路实现了将感应到的模拟或数字信号转换成一个开关量信号，继而输出控制下一级电路的作用。本实验所用的开关量输出电路中起主要防护作用的是两个TVS二极管1N6 381和1N6 374[2～3]。

图1 实验连接图

实验采用脉冲电压传导注入对被测器件进行测试，所用HEMP源为直流高压源。其输出波形为双指数波，极性为正极性脉冲，电压幅值为40 kV可调，上升前沿小于2.5 ns，脉冲持续时间为50～60 ns。对于限幅性能的测试，脉冲源为ENS-24XA高频噪声模拟器。输出为100 ns的矩形脉冲，可调电压值0～2 000 VMAX±10 %，上升时间1 ns±30 %。实验时脉冲源正负极接于试件正负两极，用两个电压探头测量注入电压和输出电压，用电流探头测量注入端的电流，结果均输入至数字示波器进行测量存储，观察SPD对特定HEMP波形的响应能力和失效阈值[4]。实验所涉及的三类脉冲类型解释如下：单脉冲为在按要求接线的情况下传导注入一次脉冲；10脉冲间隔6 dB为传导注入一次脉冲，结束后间隔大于10 s，再注入第二次脉冲以此类推至十次脉冲结束，按6 dB间隔提高量级；10脉冲间隔3 dB，按 3 dB间隔提高量级，其它同10脉冲间隔6 dB的情况。实验连接图如图1所示。

2 实验结果及分析

2.1 限幅特性分析

实验采用脉宽100 ns的方波信号，从1.5 V至2 kV进行测试。主要用于观察器件在不同幅度电压、电流作用下的箝位特性。表1给出了注入电压、输出电压峰值及限幅电压测试结果，图2为限幅性能测试结果波形图。

表1 限幅电压测试结果

图2 限性能测试结果波形图

表2 不同脉冲类型作用下被测电路的阈值电压及电流值

由表1和图2可得，试件在注入矩形脉冲时，随着注入电压幅值的增大，输出电压幅值刚开始增大，但达到一定值后趋于稳定。随着注入电压继续增大，输出电压波形宽度变窄，尾部出现一个平台，被箝位到一个较小的值。与此同时，对应于输出电压幅值减小的部分，注入电流出现一个凸起的部分，幅值增大，这遵循能量守恒定律。由于电路本身的结构，所以图2中所示输出电压与注入电压波形相等。该开关量输出电路可将过电压限制到56.1 V左右。

2.2 损伤及损毁性能分析

器件的损伤是指随着电压幅值的增加器件性能下降，当器件重启之后（包括自身重启、外部强制重启和断电重新加电），器件又可以正常工作。器件损毁指过电压致使器件有物理损伤，除非对硬件进行修理或更换，否则器件将不可以恢复正常状态。本文采用直流高压源，研究了三种不同类型的脉冲从1 kV至30 kV注入时，该电路的响应特性。实验结果如表2及图3所示。

由于实验设置每种类型脉冲注入时器件个数不等，故得到表2的实验数据。10次脉冲的情况下，需分两种脉冲幅值间隔进行递增，可得到更准确的损伤和损毁阈值范围。从表2及图3可知，对于被测电路，单脉冲作用下阈值电压及电流最大值高于10脉冲作用下的最大值；10脉冲作用下，间隔6 dB情况下阈值电压及电流最大值大于间隔3 dB情况下的最大值。单脉冲作用下阈值电压及电流平均值高于10脉冲作用下的平均值；10脉冲情况下，间隔6 dB的情况高于3 dB作用下的平均值。可以看出单脉冲作用下阈值电压和电流范围波动比较大，阈值的稳定性小于10脉冲作用下的稳定性。

由于10脉冲作用的脉冲间隔小于单脉冲作用下的脉冲间隔，使电流流过二极管时产生的焦耳热持续累积，直至将器件损坏；另一方面10脉冲作用到二极管上的脉冲总能量也大于单脉冲作用到该二极管上的脉冲总能量，因此，10脉冲作用下器件更易损坏。10脉冲作用下，由于3 dB的间隔小于6 dB，脉冲提高至相同的幅值，3 dB情况下脉冲次数大于6 dB的情况，因此间隔3 dB的情况比间隔6 dB的情况阈值更低。由此可得出脉冲次数对被测电路有比较明显的累积效应。

图3 阈值电压电流分布图

2.3 损伤及损毁概率分析

TVS二极管的损伤概率和损毁概率可分别通过损伤器件个数和损毁的器件个数来定义：

图4 损伤及损毁概率曲线

其中PBFR为损伤概率，PDFR为损毁概率，NB为损伤器件个数，ND为损毁器件个数，NT为实验器件总个数[5～6]。根据式（1）和（2）计算出不同类型脉冲作用下损伤概率和损毁概率，绘制出曲线如图4所示。

在脉冲幅值相等的情况下，单脉冲的损伤概率和损毁概率小于10脉冲的情况，而10脉冲间隔6 dB情况下的损伤和损毁概率又小于间隔3 dB的情况。总体上看，10脉冲间隔6 dB作用下的损伤和损毁概率曲线位于间隔3 dB的之上，且10脉冲情况的曲线均位于单脉冲的之上。这从统计学的角度进一步证实了脉冲累积效应对被测电路的影响。

3 结论

本文通过对开关量输出电路HEMP传导注入的研究，可知随着脉冲幅值的增加，该电路中的防护器件会将过电压箝位至56.1 V左右；脉冲幅值继续增加，会对该器件产生损伤；最终，当脉冲幅值达到一定阈值，器件将被损毁。

对不同类型脉冲注入的研究结果表明，不同脉冲次数对损伤和损毁阈值电压和损毁阈值电流影响明显。脉冲次数越多，其阈值电压和阈值电流会越低，这是由于实验系统受到了注入脉冲次数累积效应的影响。

损伤及损毁概率分析结果说明幅值相等时，注入脉冲次数越多，损伤概率越大。这表明被测电路受脉冲次数累积效应明显。研究所得结论对进一步研究SPD对HEMP的防护有参考意义。

[1]周璧华,陈彬,石立华.电磁脉冲及其防护[M]. 北京： 国防工业出版社, 2003.

[2]朱艳红.TVS瞬态二极管的防雷应用[J]. 西部广播电视, 2014(6)：127.

[3]孙丹峰,幼章.电路浪涌保护器件[J]. 电源世界, 2014,1： 45-49.

[4] GB/T 17626.5-1999,电磁兼容实验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度实验[S].

[5] Michael Camp, He ndrik Gerth, Heyno Garbe, et.al..Predicting the Breakdown Behavior of Microcontrollers Under EMP/ UWB Impact Using a Statistical Analysis. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2004, 46(3)： 368-379.

[6] Daniel Nitsch, Michael Camp, Jan Luiken, et.al..Susceptibility of Some Electronic Equipment to HPEM Threats. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2004, 46(3)： 380-389.

[7]陈向跃, 孙蓓云, 聂鑫. 接触式方波电流注入方法研究[J]. 核电子学与探测技术, 2010, 30(4)： 549-551.

[8]翟爱斌, 崔志同, 陈向跃, 等. 单片机传输系统EMP损伤效应研究[J]. 核电子学与探测技术, 2010, 30(9)： 1201-1206.

Statistical Analysis on the Response Characteristic for TVS Diode in HEMP

DU Ming-xin, SHI Li-hua, ZHOU Ying-hui, FU Zhi-kai
（National Key Laboratory on Electromagnetic Environmental Effects and Electro-optical Engineering, Chinese People’s Liberation Army University of Science and Technology,Nanjing 210007）

To investigate the transient voltage suppression diodes (TVS) defending against the electromagnetic pulse generated by high-altitude nuclear explosions (HEMP), different types of impulses injecting to the circuit has been researched. In this paper, the limiting voltage, breakdown threshold voltage, damage threshold voltage and damage threshold current are measured. Breakdown probability and damage probability caused by different types of pulses are also calculated. The results show that accumulative effect has a significant influence on the circuit. The more the number of pulses is, the lower threshold voltage and current will be. This study provides references for electromagnetic pulse protection in microelectronic devices and selecting devices to defend against HEMP.

TVS diode; HEMP; accumulative effect; breakdown probability; damage probability

TN345

A

1004-7204（2015）04-0050-05

杜鸣心（1991-），女，陕西人，解放军理工大学硕士研究生，主要研究方向为电磁脉冲防护技术。

国家自然科学基金（编号：51477183, 51407198）