防雷電組件的制作方法
【專利說明】防雷電組件
[0001]本發(fā)明涉及防雷電組件，意在置于可能被雷電信號損壞的電子設(shè)備與可能受到雷電沖擊并將雷電信號傳送向所述電子設(shè)備的輸電線之間。
[0002]存在許多防雷電組件，包括穩(wěn)壓(Zener)功率二極管、瞬態(tài)吸收(Transorb)或瞬態(tài)電壓抑制(TVS) 二極管，它們被設(shè)計(jì)成承受由雷擊生成的電壓和電流的大小的電壓和電流。這種類型的二極管旨在安裝在容易受到雷電沖擊的輸電線與能量耗散電路(通常為地)之間。當(dāng)輸電線受到雷電沖擊時，該二極管變?yōu)閷?dǎo)電并將雷電信號傳送向耗散電路(通常為地)。
[0003]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些防護(hù)組件影響位于該組件下游的某些類型的電子設(shè)備的性能。這例如在所涉及的輸電線將傳感器連接到測量電路時發(fā)生。在該情況中，由于組件的特性，以相對高的溫度感生出漏電流。取決于所期望的下游計(jì)量性能水平，這些漏電流可能引起將劣化測量的電壓誤差。尤其在差動測量電路中就是這種情況，差動測量電路使用例如儀表放大器(instrumentat1n amplifier)或?qū)ふ覂蓚€函數(shù)之間的模擬差的某一功能。
[0004]本發(fā)明的一個目的是提出一種防雷電組件，該防雷電組件不會不利地影響與其連接的設(shè)備的性能，且以通用的方式來實(shí)現(xiàn)該結(jié)果而不管輸入的類型如何，輸入可以是:
[0005]籲模擬的，不管是差動的還是以其他方式連接到任何種類的電壓或電流傳感器或源；
[0006]?數(shù)字的，與TTL、CMOS、LVDS或其他信號接觸；
[0007].1553、CAN、VAN或其他類型的差動總線；或者
[0008]?功率信號。
[0009]為此，根據(jù)本發(fā)明提供了一種防雷電組件，包括能夠傳輸雷電信號的至少一個主輸入、用于連接到要防雷電信號的設(shè)備的至少一個主輸出、用于連接到耗散電路的分支輸出、用于將所述輸入連接到所述主輸出的直通線、以及設(shè)置在所述直通線與所述分支輸出之間且裝備有至少一個分支開關(guān)的分支電路，所述分支開關(guān)具有打開狀態(tài)和閉合狀態(tài)，在打開狀態(tài)中所述分支輸出與所述直通線隔離，而在閉合狀態(tài)中所述雷電信號從所述直通線向所述分支輸出傳導(dǎo)。
[0010]在其打開狀態(tài)中，所述分支開關(guān)不允許可能干擾連接到所述組件的所述設(shè)備的工作的漏電流通過，但是在其閉合狀態(tài)中，它使得所述雷電信號能被放電。從而為所述設(shè)備提供了防護(hù)，但是當(dāng)沒有雷擊時不存在對所述設(shè)備的工作的干擾。
[0011 ] 較佳地，所述組件包括用于檢測所述分支電路的工作狀態(tài)的電路，所述檢測電路包括用于驗(yàn)證所述開關(guān)的正確閉合以及所述開關(guān)中的電荷流的裝置。
[0012]較佳地，所述檢測電路可由系統(tǒng)以及也可由一直被保護(hù)的所述設(shè)備詢問。由于分支開關(guān)的存在，這種類型的分支電路的工作狀態(tài)容易被檢測；僅僅需要驗(yàn)證該開關(guān)的閉合和導(dǎo)通。
[0013]該檢測設(shè)備還有利地包括用于連接到要被保護(hù)的所述設(shè)備的輸入/輸出鏈路。
[0014]該設(shè)備于是可使得工作狀態(tài)被驗(yàn)證，并可接收表示該狀態(tài)的信息。
[0015]根據(jù)所述分支電路的一特定實(shí)施例，所述分支電路包括控制線路，所述控制線路位于用于連接到低電壓電源的次級輸入與所述分支開關(guān)的控制輸入之間，所述控制線路裝備有具有連接到所述直通線的高壓控制輸入的控制開關(guān)。
[0016]在該例中，所述控制開關(guān)直接由所述雷電信號閉合，該閉合于是導(dǎo)致所述分支開關(guān)的閉合。這使得所述分支電路相對簡單。
[0017]根據(jù)所述組件的第一實(shí)施例，所述開關(guān)中的至少一個是裝在具有恒定受控壓力的氣體的空腔中的微機(jī)電系統(tǒng)，所述微機(jī)電系統(tǒng)較佳地包括形成所述控制輸入的一移動觸點(diǎn)以及兩個固定電極，所述移動觸點(diǎn)被安排成在由所述控制輸入中存在的電壓生成的靜電力的作用下從與所述電極分離的位置移動到與所述電極接觸的位置。
[0018]有利的是，所述氣體是可電離化的氣體，當(dāng)被施加了足夠的電壓時，所述氣體變得導(dǎo)電并幫助加速所述移動觸點(diǎn)的移動。所述電離化的氣體較佳地被保持在某些條件下，更具體來說是壓力條件，使得所述足夠的電壓大約是所述雷電信號的電壓的三分之一。
[0019]根據(jù)所述組件的第二實(shí)施例，所述開關(guān)包括以如下方式被置于包含可電離化的氣體的外殼中且彼此由所述氣體分隔的兩個電極，即所述開關(guān)被由于施加超過預(yù)定閾值的電壓而造成的擊穿閉合，所述預(yù)定閾值介于所述設(shè)備的標(biāo)稱電源電壓和雷電電壓之間。
[0020]在該電壓的影響下，氣體被轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電的等離子體，從而允許在兩個電極之間傳導(dǎo)電荷。由于電極之間的隔離是固定的且可電離化的氣體的壓力是可控制的，只要電壓位于該預(yù)定閾值之下，這種類型的開關(guān)形成了物理勢皇，從而提供了沒有漏電的保護(hù)。這種類型的開關(guān)尤其有利，因?yàn)樗杀话惭b在諸如數(shù)字總線、電源總線、差動總線(1553類型或其他類型)或模擬輸入之類的任何類型的電氣鏈路上。可簡單地通過對電極形成的空腔的設(shè)計(jì)來調(diào)節(jié)擊穿電壓，這是因?yàn)閷韬拖嚓P(guān)聯(lián)的加工系統(tǒng)(DRIE加工、犧牲(sacrificial)加工、化學(xué)蝕刻或其他系統(tǒng))的使用以及所述氣壓。擊穿電壓可相對較低，例如最高達(dá)I伏特。同時，開關(guān)可形成具有非常小的電容(PF)以及相對較小大小的電容器，同時是高度可靠的而不管電壓和溫度，該電容器可被放置得與電子組件盡可能地近，或者甚至在同一基板上直接放置在這些組件的輸入處，使得所述組件能夠被解耦。與商業(yè)上可獲得的火花隙相比該開關(guān)的的使用壽命相對較長，因?yàn)榭涨皇菑拇怪苯Y(jié)構(gòu)形成的，這允許電荷的體積流而不是表面流。
[0021]電極的相對表面較佳地是起皺的。
[0022]構(gòu)成空腔的壁的電極的起皺的幾何結(jié)構(gòu)(例如，該幾何結(jié)構(gòu)是通過DRIE加工生產(chǎn)的)在兩個電極之間提供了多個放電點(diǎn)，這些點(diǎn)將由于隨時間發(fā)生的材料的去除而改變。
[0023]有利的是，該組件具有串聯(lián)和/或并聯(lián)安裝的多個開關(guān)。
[0024]雷電放電通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)流走，開關(guān)可或可不通過電阻鏈接。以此方式，要被放電的電流可被分散在多個開關(guān)之間，從而減少了每個開關(guān)受到的壓力。
[0025]通過下面對本發(fā)明的非限制性具體實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
[0026]將參考附圖，其中:
[0027]-圖1是根據(jù)本發(fā)明的組件的示意圖，
[0028]-圖2是該組件的電路圖，
[0029]-圖3是沿垂直于該組件中所使用的開關(guān)之一的電極的平面取得的截面示意圖，
[0030]-圖4是該開關(guān)的沿圖3的線IV-1V取得的截面示意圖，
[0031]-圖5是該組件中所使用的開關(guān)的一種變型實(shí)施例的截面示意圖。
[0032]參考附圖，根據(jù)本發(fā)明的防雷電組件(以數(shù)字I總地指示出)在該例中被安裝在傳感器S和用于處理從傳感器S接收到的模擬電信號的設(shè)備T之間。一種已知類型的傳感器S例如是用于感測可移動元件的位置的位置傳感器，同樣是一種已知類型的處理設(shè)備T包括例如儀表放大器以及用于使用從傳感器C接收到的電信號以便控制用于移動例如所述可移動元件的電機(jī)的裝置。該例僅僅是一示例，其他應(yīng)用顯然是可能的。
[0033]組件I是以三維裝配的集成電路(也就是說組件被垂直地和水平地放置和連接)以及安裝在基板上并內(nèi)裝在外殼內(nèi)的無源電子元件的形式安排的表面安裝組件(SMC)(該架構(gòu)通常稱為“SiP”，是英語術(shù)語“system in package”(系統(tǒng)級封裝)簡稱)。所涉及的SiP還可內(nèi)裝用于除所述防雷電功能之外的功能的其他集成電路、無源組件以及其他元件。
[0034]在該例中，組件I包括連接到傳感器S并能傳送雷電信號的主輸入2.1、連接到低電壓源u的次級輸入2.2、連接到要防雷電信號的處理設(shè)備T的主輸出3.1、以及連接到已知類型的耗散電路(在該例中為地M)的分支輸出3.2。輸入2.1,2.2以及輸出3.1、3.2裝備有位于組件I的基底的外表面上的按陣列排列的球形(BGA)形式的觸點(diǎn)。組件I的基底內(nèi)裝防雷電開關(guān)。
[0035]組件I還包括將主輸入2.1連接到主輸出3.1的直通線4，以及安裝在直通線4和分支輸出3.2之間以數(shù)字5總地指示出的分支電路。
[0036]分支電路5包括連接到直通線4以及連接到分支輸出3.2的分支開關(guān)6，分支開關(guān)6具有打開狀態(tài)和閉合狀態(tài)，在打開狀態(tài)中分支輸出3.2與直通線4隔離，而在閉合狀態(tài)中雷電信號從直通線4向分支輸出3.2傳導(dǎo)。
[0037]分支電路5包括一控制線路，該控制線路包括控制開關(guān)7，該控制開關(guān)7經(jīng)一由數(shù)字8總地指示出的延遲電路將次級輸入2.2連接到分支開關(guān)6的控制輸入，該延遲電路被安排成將分支開關(guān)閉合達(dá)預(yù)定時間段。應(yīng)注意，在一高級版本中，可使得延遲電路8可由要被保護(hù)的系統(tǒng)或設(shè)備調(diào)節(jié)。
[0038]控制開關(guān)7具有連接到直通線4的高壓控制輸入。
[0039]由該保護(hù)系統(tǒng)所處理的雷電信號的波形是當(dāng)前在航空領(lǐng)域中所遇見的那些，即(根據(jù)D0160標(biāo)準(zhǔn)第22和23節(jié)):
[0040]O波形3/單脈沖:頻率F = 1MHz的衰減正弦波，
[0041]■開路電壓為1500V，
[0042]■短路電流為60A。
[0043]〇波形4/單脈沖:上升時間Trise = 6.4 μ s，下降時間Tfall = 69 μ S，
[0044]■開路電壓為750V，
[0045]■短路電流為150Α。
[0046]〇波形5Α/單脈沖:上升時間Trise = 40 μ S，下降時間Tfall = 120 μ s,
[0047]■開路電壓為750V，
[0048]■短路電流為150A。
[0049]關(guān)于雷電測試，應(yīng)注意:
[0050]?在一負(fù)載上調(diào)節(jié)用于測試防護(hù)的雷電發(fā)生器，使得能夠例如以1MHz的衰減正弦波生成60A、1500V (波形3)。該信號然后被發(fā)送到保護(hù)系統(tǒng)，取決于后者的阻抗，電壓或電流將支配該交換。
[0051]籲三種波形3、4和5A不同時存在。一般來說，兩個波形共同存在于雷電攻擊中(例如波形3和5A或者波形4和5A