基于PIN二极管的快上升沿电磁脉冲防护模块设计与研究

李亚南， 谭志良

(陆军工程大学石家庄校区 静电与电磁防护研究所， 河北 石家庄 050003)

0 引言

快上升沿电磁脉冲是非核电磁脉冲效应研究的重要内容之一。相对于其他类型的电磁脉冲，快上升沿电磁脉冲的上升时间更短，仅为0.3～1.0 ns[1-2]，具有更宽的频谱带宽和更丰富的高频成分，电磁能量更易于通过天线、电源线以及各种孔缝耦合到设备内部，作用于内部电子元器件、集成电路等空间结构体的脆弱部位，对微电子化敏感设备造成不可逆的损坏[3-5]，直接影响电子设备的正常工作。而在电磁脉冲防护方面，PIN二极管具有反应迅速、恢复时间短、承受功率容量大等特点，广泛应用于限幅器研究中，以降低电磁脉冲对电子设备的冲击[6]。PIN二极管对快上升沿电磁脉冲的限幅效果会直接决定电子设备能否正常工作，因此研究PIN二极管在快上升沿电磁脉冲作用下的瞬态响应具有非常重要的工程应用价值。目前对于电磁脉冲防护的研究，由于其技术和工艺的复杂性，以及本身的高度机密性，相关的国外文献和报道较少。国内对快上升沿电磁脉冲防护技术的研究尚少[7],文献[8-9]对压敏电阻和瞬态电压抑制器(TVS)器件在快上升沿电磁脉冲作用下的瞬态响应进行了试验测试，但功率容量不足、响应时间不足成为电磁脉冲防护应用的制约因素，因此大功率和快速响应时间防护器件是一个值得研究的课题。

本文对PIN二极管电路在快上升沿电磁脉冲作用下的电压特性进行了仿真研究，给出了PIN二极管的限幅电压、限幅响应时间、尖峰泄漏参数在快上升沿电磁脉冲作用下的瞬态响应规律，在此基础上设计了一款基于低通滤波器模型的快上升沿电磁脉冲防护电路模块，并对防护电路模块的快上升沿电磁脉冲防护性能进行了测试。

1 PIN二极管限幅仿真

1.1 快上升沿电磁脉冲

对于绝大多数微波半导体器件，电磁脉冲所造成的损伤都是由于电流热效应导致的，用器件的损伤能量来描述器件的损伤阈值比较合理。由于标准方波可以通过简单计算得到损伤能量，本文用方波代表任意复杂波形，进行PIN二极管电路的瞬态响应仿真。

快上升沿方波脉冲信号如图1所示，主要包括上升时间(小于1.0 ns)、脉冲宽度td、下降时间、脉冲幅度等参数。

快上升沿方波脉冲信号的数学表达式为

(1)

式中：E为方波脉冲最大幅度值；±tr/2为方波脉冲幅值是最大值10%的时间；±tf/2为方波脉冲幅值是最大值10%的时间。

1.2 PIN二极管限幅电路瞬态分析

1.2.1 PIN二极管瞬态仿真电路

PIN二极管是一种常用的微波控制器件。在两个高掺杂的P+和N+半导体之间加入一个电阻率极高的本征层，即I层，就构成了PIN二极管，其物理结构及等效电路图如图2所示。图2中Rj和Cj为PIN二极管耗尽层的电阻和电容，Rs为串联电阻，Cp为PIN二极管的管壳电容。

PIN二极管反向电阻比正向电阻高很多，因此单管限幅电路会输出很高的负电压，可能会对后级敏感器件造成损伤[10-11]。而在双PIN管限幅电路中，由于两个PIN二极管分别以正向、反向的形式并联，故两个管子并联后的电阻在正向、反向的状态下不会有很大的差别，对输入信号的反向部分也有很好的限幅效果。

为了研究快上升沿方波脉冲信号作用下PIN二极管的瞬态响应状况，利用电路仿真软件Advanced Design System(ADS)构建了双PIN管限幅仿真电路，如图3所示，仿真模型中主线采用50 Ω的微带线。由于PIN二极管管芯焊接使用金属引线，在限幅仿真电路中引入了0.15 nH的小电感。PIN管限幅电路中采用的PIN二极管数值计算模型为一维结构模型，I区厚度50 μm.

1.2.2 不同阶跃电压下PIN二极管的输出

输入端所加信号形式为快上升沿方波脉冲[12]，脉宽为3 ns，上升时间为1 ns，脉冲峰值幅度分别为500 V、1 000 V、1 500 V和2 000 V，双PIN管限幅电路输出电压如图4所示。

从图4中可以看出，快上升沿电磁脉冲刚刚作用在电路上时，PIN二极管表现为高阻抗状态，电路输出表现为尖峰泄漏输出阶段，这个过程持续了一段时间。随着电磁脉冲的持续作用，大量的载流子注入到I区，使I区的载流子浓度升高，于是PIN二极管表现为低阻抗状态，电路尖峰泄漏功率减小，限幅电路输出电压逐渐进入平顶泄漏阶段，即限幅器的正常限幅状态。

通过比较可以发现，尖峰泄漏产生的时间随着输入电压的增大而减小。当输入脉冲峰值电压为2 000 V时，PIN管限幅器尖峰泄漏状态输出时间约为284 ps；当输入脉冲峰值电压为500 V时，PIN管限幅器尖峰泄漏状态输出时间约为498 ps. 相反地，PIN限幅器尖峰泄漏输出电压的峰值和电源电压幅值呈正比，电压源所加脉冲信号幅值越大，PIN限幅器尖峰泄漏阶段的峰值电压就越高。

1.2.3 不同上升时间下PIN二极管的输出

信号源所加信号的形式为快上升沿的方波脉冲，脉宽为3 ns，脉冲峰值幅度为1 000 V，上升时间分别为0.1 ns、0.5 ns、1.0 ns，双PIN管限幅器输出电压如图5所示。

由图5中可以看出，当快上升沿电磁脉冲作用于PIN二极管时，PIN二极管输出端产生明显的电压峰值，并且脉冲上升时间越大，产生电压的峰值越小。脉冲的上升时间为 0.1 ns时，电压峰值为421.2 V；当脉冲的上升时间为1.0 ns时，电压峰值为139.1 V.

由此可知，当PIN二极管两端施加快上升沿电磁脉冲时，双PIN二极管限幅电路会输出较大的尖峰泄漏电压，并且尖峰泄漏随着上升时间的增大而减小。这是因为当输入快上升沿电磁脉冲信号时，PIN二极管需要一定的时间完成载流子的调制，导致此时的输出电压较大，产生尖峰泄漏[13]，上升时间越小，脉冲信号的高频分量就越多，PIN二极管需要完成电导调制作用时间就越长，导致泄漏较大的脉冲能量。因此在快上升沿电磁脉冲防护设计过程中，不仅要考虑PIN二极管耐功率问题，还需要抑制输出端的尖峰泄漏。

2 防护电路设计

2.1 防护电路在大信号条件下的设计

PIN二极管的I区厚度直接决定着雪崩击穿电压，当PIN二极管被电压击穿时，很容易导致自身损伤乃至烧毁。根据击穿电压可以得到I层厚度，击穿电压与I层的关系为

V=EBW,

(2)

式中：W为I层厚度；EB为I层的最大击穿电场强度。

为了提高电路的功率承受能力，降低尖峰泄漏电压，该模块采用三级PIN二极管电路结构，使用不同I层厚度的PIN二极管级联，构成宽带低通滤波器，能对强电磁脉冲的高频成分起到很好的抑制作用。为了抑制快上升沿电磁脉冲、有效控制尖峰泄漏电压，末级选择了I层较薄的PIN二极管[14]，从而使防护模块快速导通。

为衔接各级PIN二极管的起限电压、承受数千伏电压冲击、获取小的限幅电平，防护电路第1级采用PIN开关二极管，该型PIN开关二极管反应时间为纳秒级，I区厚度能达到100 μm，能承受数千伏电压冲击，对强电磁脉冲信号进行前期衰减。当输入电磁脉冲信号超过设定的相应门限电平时，PIN开关二极管开启，对大信号进行前期衰减，从而在PIN开关二极管导通之前，只有很短时间的脉冲信号泄漏到后级。第2、第3级采用PIN限幅二极管，继续对信号进行衰减，将输入信号限制在更低的电平，限幅二极管选择了I区比第1级薄的PIN二极管，并配合网络实现各级之间的配合。

2.2 防护电路在小信号条件下的设计

为实现防护电路的高隔离度和宽频带特性，以集总参数巴特沃斯低通滤波器电路为原型，通过拟合二极管寄生参数值，结合键合金丝电感参数，设计了基于低通滤波器模型的防护电路，在保证对设备正常工作影响很小的前提下对快上升沿电磁脉冲的高频成分起到抑制作用。选用了串联电感作为第1元件来构成低通滤波器，防护电路的小信号模型和低通滤波器一样，低通滤波器的并联电容数与PIN二极管数相同[15]。结合PIN二极管等效电路模型，引入金丝电感参数并构建集总参数阻抗匹配网络，建立防护电路的小信号电路仿真模型如图6所示，在ADS电路仿真软件中，采用S参数仿真器优化设计防护电路插入损耗S(2,1)和驻波比VSWR.

在实际电路加工过程中，选择了PIN二极管管芯，其优点在于未引入管壳封装带来的电容和电感，在使用多级PIN管芯情况下引入的插入损耗并不大。测试使用的网络分析仪为德国Agilent公司N5245A，测得S(2,1)参数如图7所示，在1～250 MHz短波、超短波频段范围内插入损耗小于0.38 dB.

3 防护电路测试和结果分析

3.1 防护性能测试系统与测试方法

具体试验设置参考国家军用标准GJB128A—1997半导体分立器件试验方法，搭建了由快上升沿电磁脉冲源、数字示波器、测试夹具和衰减器等组成的防护性能测试系统[16]，如图8所示。其中快上升沿电磁脉冲源包括静电放电(ESD)模拟器和高频脉冲发生器。ESD模拟器输出静电幅值范围为0.3～30.0 kV，其性能指标满足国际电工委员会标准IEC61000-4-2要求，IEC标准规定第1个波峰的上升时间为0.7～1.0 ns；高频脉冲发生器能够产生幅值为4 000 V高压矩形脉冲，脉冲上升时间小于1.0 ns.

3.2 ESD注入试验

采用人体模型进行ESD注入试验，在5 kV和8 kV两个档次的放电电压下进行注入试验。试验结果如图9所示。

由图9可以看出，在不同幅值大小的静电电磁脉冲注入下，防护模块受到强电磁脉冲冲击时会产生过冲电压，防护模块均起到了一定的限幅作用：当注入脉冲电压值为5 kV时，防护模块将电压幅值限制在100 V以内；当注入脉冲电压值为8 kV时，防护模块将电压幅值限制在160 V以内。但是亦可以看到在单次ESD作用下，响应曲线在过冲处振荡明显，过冲电压峰值随着注入脉冲电压的增大而增大。

3.3 快上升沿方波脉冲注入试验

方波脉冲注入试验参考国家军用标准GJB 538—88半导体器件电磁脉冲损伤阈值试验方法，用直接注入法来测定防护电路的限幅能力，方波脉冲注入试验环境与ESD注入试验环境相同。

首先对防护电路的限幅电压进行测定，方波源输出幅值4 000 V、脉宽100 ns的单次方波信号，经过防护模块后输出到示波器上，试验测试得到的输出电压波形如图10所示。

使用连续方波信号对模块的防护效果进行测试。输入测试波形峰值电压4 000 V、周期16 ms、脉宽1 μs，经过防护模块后接入示波器，输出波形如图11所示。

在100 ns、500 ns和1 000 ns 3种脉冲宽度下分别进行单次方波电磁脉冲注入试验，测试电压分别为500 V、1 000 V、2 000 V和4 000 V. 试验结果如表1所示。

从图10、图11中以及表1可知，在快上升沿方波脉冲注入下，测试电压曲线前端都出现了电压过冲，且泄漏电压随测试脉冲电压增大而增大，响应时间也有所增大。防护模块能够有效地将4 000 V的快上升沿方波脉冲限制到一个稳定值，尖峰泄漏电压控制在30 V以内，限幅响应时间小于2 ns，具有优良的钳位性能。但需要注意的是：在数据手册中，虽然PIN二极管的响应时间标注为皮秒量级，但实际上是指雪崩电子击穿导电的时间，而在实际测试中响应时间是指由加压到稳定钳压的时间，由于PIN二极管封装形式的影响，其实际响应时间要远慢于其理论时间。在快上升沿脉冲注入下，元件残压曲线前端都出现电压过冲现象，且过冲峰值随外施电压幅值的增大而增大。

表1 方波脉冲限幅试结果

综合以上测试结果可以看出，针对快上升沿电磁脉冲设计的防护模块能够对静电电磁脉冲和快上升沿方波脉冲进行有效抑制，防护输出信号都被钳位在一个较为稳定的电压幅值，具有良好的快上升沿电磁脉冲防护能力。

4 结论

本文对PIN二极管在快上升沿电磁脉冲作用下的瞬态特性进行了仿真研究，并基于PIN二极管瞬态响应规律设计了一款快上升沿电磁脉冲防护电路模块，该模块以集总参数巴特沃斯低通滤波器电路为原型，通过拟合二极管寄生参数值，结合键合金丝电感参数，构成宽带低通滤波网络。最后对防护电路模块的快上升沿电磁脉冲防护性能进行了测试，得出以下结论：

1)当PIN二极管两端施加快上升沿电磁脉冲时，PIN二极管会出现尖峰泄漏，并且尖峰泄漏产生的时间随着输入电压的增大而减小，尖峰泄漏的幅度随着所加脉冲信号的增大而增大。

2)防护电路模块具有良好的快上升沿电磁脉冲防护性能：在1～250 MHz，防护模块的插入损耗小于0.38 dB；当输入的静电电磁脉冲幅值为8 kV时，限幅输出电平小于160 V；当输入的方波脉冲幅值为4 000 V时，限幅响应时间小于2 ns，输出电平小于30 V.