隨著軍用飛機采用碳復合材料機身并攜帶越來越多的電傳操縱航空電子設備，防雷變得越來越重要。滿足最新嚴格的防雷標準需要仔細選擇瞬態電壓抑制器 （TVS） 器件。

航空航天和國防工業已經制定了保護機載軍用航空電子系統免受雷擊的標準。很少有現成的瞬態電壓抑制器（TVS）組件能夠滿足兩個頂級航空標準機構制定的最新浪涌規范，并且較差的熱性能導致非常高的結溫以及性能受損或故障。新的TVS結構通過顯著降低結到散熱器的熱阻和處理多沖程測試序列，最大限度地減少二極管（p-n）結區域的破壞性熱量積聚，避免了這些問題。

閃電問題

雖然飛機雷擊并不少見，但它們很少引起問題。當全金屬飛機被閃電擊中時，它的皮膚成為螺栓傳導路徑的一部分。電離氣體通道在兩個或多個點短暫地附著在結構上，金屬蒙皮充當法拉第籠。電流流過結構的外表面，雖然飛機內部的感應場沒有被消除，但它們至少是可控的。

隨著電傳操縱架構的普及，防雷變得越來越重要，這些架構通過飛機的數據總線和電源布線承載主要的飛行控制命令。與此同時，商業、航空航天和國防工業越來越多地使用碳復合材料而不是傳統的鋁合金機身來減輕重量，同時提高結構強度。空客350和380以及波音787等飛機上的重要皮膚區域現在使用碳復合材料制造。這些材料接近傳統金屬機身材料的防雷性能，但與金屬等效材料相比，它們所包圍的飛行系統的屏蔽更少。

金屬以及更大程度上的碳復合材料機身都需要優化的TVS組件，以充分保護它們免受雷擊。如果沒有足夠的TVS保護，當超過其最大額定電壓或額定功率時，這些撞擊會損壞敏感的電子元件。

測試雷電耐受性

美國航空無線電技術委員會（RTCA）和歐洲民用航空電子組織（EUROCAE）定義了RTCA/DO-160E和EUROCAE/ED-14E（以及ISO-7137）的統一標準，用于金屬和碳復合材料機身在商業和軍事應用中必須容忍的雷電相關干擾水平。DO-160要求航空電子子系統能夠承受直接打擊脈沖以及由每次雷擊引起的瞬態電磁場引起的脈沖。該規范涵蓋了單沖程、多沖程和多突發序列中的沖擊脈沖。DO-160 標準規定了多個瞬態波形參數，包括幅度、上升時間、衰減時間、重復次數和重復率。

詳細分析表明，典型的負擊包括 1 到 11 次單獨的沖程，最多 24 次。這些被認為是以大約60毫秒的間隔發生的單獨電荷區域的放電。對于 DO-160 的電纜束測試，飛機在第一次沖程中必須承受高達 640 V，在隨后的沖程中必須承受高達 320 V 的電壓，單沖程必須承受高達 1，600 V 的電壓。

圖1所示的TVS電路布置有助于保護航空電子子系統內部和之間的信號線免受直接雷擊引起的瞬變的影響。它還旨在保護終端和接口設備免受飛機中其他接口設備傳導到這些信號線的瞬變的影響。

圖1：涉及TVS保護的典型電路可保護航空電子設備免受雷擊引起的瞬變。

由于直接或誘導效應而出現在互連線路上的瞬變必須由TVS設備轉移到地面，然后才能進入并破壞連接兩端的終端設備。感應效應是瞬態的電容或電感耦合，上升時間非常快（表示為di/dt或dv/dt，分別指電流或電壓的變化率）。

航空電子設備TVS總是半導體器件，例如p-n結雪崩擊穿二極管（ABD），與其他類型的并聯保護器件相比，它在鉗位方面表現出色。ABD 在更低的鉗位電壓下提供比金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 器件更高的效率;例如，ABD的鉗位電壓比（VC/VBR）通常為1.35，而MOV的鉗位電壓比為3。MOV也可能因重復瞬變而退化，盡管各個瞬變在其最大額定值范圍內。為了處理雷電浪涌保護指定的瞬態電平，TVS器件采用單二極管芯片或串聯二極管骰子堆棧的形式，用于高功率器件。

解決散熱挑戰

由于其結構，許多TVS器件不允許內部耗散的熱量足夠快地逸出，以保持半導體器件的最大工作范圍以下的結溫。充分了解TVS數據手冊參數以及它們如何受器件結構影響非常重要。

一個數據手冊參數是峰值脈沖功率（PPP），它是根據隨機發生的事件指定的，這些事件間隔間隔足夠長，不會發生熱量積聚。一些數據手冊提到了浪涌事件之間的間隔，并提供比指定的峰值額定功率低得多的直流額定功率。在這些情況下，應使用散熱器布置指定直流條件，以管理穩態條件。相比之下，在熱量到達TVS外部之前結束的短時間（1毫秒或更短）的短暫瞬態事件，散熱器被認為是無關緊要的。開發人員必須使用相同的條件仔細解釋比較數據手冊信息。

熱管理與脈沖事件的擴展、快速重復率相關 - 任何具有施加的重復浪涌占空比，其中該占空比的平均計算功率超過其直流功率額定值，包括任何直流電源散熱器要求。問題是累積加熱效應。開發人員可能會認為，即使它們沒有根據在外殼、引線或端蓋測量的受控溫度背景下的表達方式明確定義，也存在強大的散熱裝置。

重要的是要了解TVS設備通常以非常低的功率運行，在發生瞬態之前具有非常低的自熱效應。這有助于TVS單元優化瞬態性能，并避免其自身自熱效應可能造成的溫度降額，例如，如果將其用作齊納二極管或用于功率連續耗散的連續電壓調節。

其他關鍵的TVS數據手冊參數包括VWM漏電流的鉗位電壓（VC）、最大工作或關斷電壓（VWM）和待機電流（ID），TVS在瞬態發生之前正常工作。在低待機電流下，TVS 器件在任何隨機重復出現的浪涌事件之間以非常低的功率閑置即可正常運行。

用于定義TVS器件性能和測試其響應的脈沖形狀通常是具有指數上升和衰減波形的瞬態。由于不同的時間常數適用于上升和衰減曲線，因此在 6.4/69 微秒時的典型額定功率可能為 130 kW。這意味著該器件可以安全地耗散瞬態，該瞬態在功率水平為130 kW時達到峰值，脈沖形狀在6.4微秒內上升到最大值，并在69微秒內從峰值衰減到50%水平。在較長脈沖的情況下，峰值功率值會降低，以確保內部p-n結溫不會過高。

此時，必須考慮TVS器件結構以保證有效的散熱。一種制造方法是軸向引線設計。對于大功率TVS，可以堆疊多個半導體骰子，以實現所需的關斷電壓特性。這將在浪涌事件期間為相同的峰值脈沖電流（IPP）實現更大的PPP能力，此時二極管兩端的電壓超過雪崩擊穿的指定值，并開始箝位或限制瞬態電壓。

然而，帶有堆疊骰子的軸向引線結構為將器件直接安裝在散熱器上以改善散熱提供了最小的機會。熱路徑從二極管骰子堆疊中的熱量消散處開始，并通過引線傳導和通過外殼的對流繼續。從（p-n）結到引線或環境溫度的熱阻相對較高，特別是TVS封裝內堆疊芯片設計中心的多個p-n結。

或者，骰子可以組裝在表面貼裝堆棧中，裸露的底座接觸墊同時用作電接觸和熱接觸。雖然導熱系數從最低的芯片到基板是有效的，但對于更高的骰子，它會變質。頂部的熱路徑也很差，因為最后一個二極管只能通過鍵合線或小夾子連接到第二個電氣端子。

在DO-160多沖程瞬態波形中，一個峰值瞬態之后是一系列脈沖，在1.5秒內達到原始峰值電平的50%。對于軸向引線設計和表面貼裝堆棧，這些快速多沖程的有效PPP降額將大大大于寬間隔、隨機重復脈沖的規定。熱量將積聚在半導體器件堆棧內，并且不會在脈沖序列的時間尺度內有效地擴散到散熱器或環境。這在間隔可能短至 10 毫秒的多次沖程中尤其困難。

使用新的TVS結構優化熱性能

圖2顯示了避免上述限制的TVS結構。在本例中，美高森美的PLAD塑料器件僅使用一個或兩個大面積半導體芯片（取決于PPP額定值）連接到大觸點/導熱焊盤。頂部觸點由銅夾而不是引線鍵合形成。夾子離開封裝并充當第二個電觸點，以提供額外的熱路徑。這種結構的結到散熱器熱阻為0.2°C/W，這最大限度地減少了DO-160多沖程測試序列期間p-n結附近的破壞性熱量積聚。

圖2：下一代TVS結構避免了早期方法的局限性，僅采用一個或兩個大面積半導體芯片直接連接到大型接觸/導熱焊盤。

半導體元件和觸點之間的鍵合連接技術減輕了瞬態事件期間發生的任何加熱相關的機械應力。器件可以制造成低于 3.3 mm 的外形，并具有低電感電流路徑，以進一步改善雷電測試器件響應。該電流路徑對于在具有快速上升時間的高電流瞬變期間降低電感是必需的。

高幅度di/dt（電流變化率）將導致電壓過沖（表示為v = Ldi/dt），超出TVS器件的鉗位電壓。當用作需要保護的敏感元件上的并聯分流路徑時，這些寄生效應影響鉗位電壓性能和效率。

更安全的天空

采用碳復合材料蒙皮的軍用飛機中電傳操縱系統的普及導致了更強大的防雷標準，而使用傳統的TVS結構很難支持這些標準。新的封裝技術顯著提高了熱性能，使TVS器件能夠滿足當今苛刻的多次突發浪涌保護要求。

審核編輯：郭婷