防雷电组件

摘要

一种防雷电组件，包括能够传输雷电信号的至少一个主输入(2.1)、用于连接到要防雷电信号的设备(T)的至少一个主输出(3.1)、用于连接到耗散电路(M)的分支输出(3.2)、将所述主输入连接到所述主输出的直通线(4)、以及设置在所述直通线与所述分支输出之间且装备有至少一个分支开关(6)的分支电路(5)，所述分支开关具有打开状态和闭合状态，在打开状态中所述分支输出与所述直通线隔离，而在闭合状态中所述雷电信号从所述直通线向所述分支输出传导。

权利要求

1.一种防雷电组件，包括能够传输雷电信号的至少一个主输入(2.1)、用于连接到要防雷电信号的设备(T)的至少一个主输出(3.1)、用于连接到耗散电路(M)的分支输出(3.2)、将所述主输入连接到所述主输出的直通线(4)、以及设置在所述直通线与所述分支输出之间且装备有至少一个分支开关(6)的分支电路(5)，所述分支开关具有打开状态和闭合状态，在打开状态中所述分支输出与所述直通线隔离，而在闭合状态中所述雷电信号从所述直通线向所述分支输出传导，开关(6,7)中的至少一个是装在具有恒定受控压力的气体的空腔内的微机电系统，所述微机电系统包括形成控制输入的移动触点(20)以及两个固定电极(21,22)，所述移动触点被安排成在由所述控制输入中存在的电压生成的静电力的作用下从与所述电极分离的位置移动到与所述电极接触的位置。

2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，包括用于检测所述分支电路(5)的工作状态的检测电路(12)，所述检测电路包括用于验证所述分支开关(6)的正确闭合以及所述分支开关(6)中的电荷流的装置。

3.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述检测电路(12)包括用于连接到要被保护的所述设备(T)的输入/输出链路(13)。

4.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述分支电路(5)包括控制线路，所述控制线路位于用于连接到低电压电源(u)的次级输入(2.2)与所述分支开关(6)的控制输入之间，所述控制线路装备有具有连接到所述直通线的高压控制输入的控制开关(7)。

5.如权利要求4所述的组件，其特征在于，所述控制开关(7)经延迟电路(8)被连接到所述分支开关(6)的控制输入，所述延迟电路被安排成将所述分支开关闭合达预定时间段。

6.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述气体是能由小于所述雷电信号的电压的电压电离的气体。

7.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述开关(6,7)包括以如下方式被置于包含可电离化的气体的密封外壳中且彼此由所述气体分隔的两个电极，即所述开关被由于施加超过预定阈值的电压而造成的击穿闭合，所述预定阈值介于所述设备的标称电源电压和雷电电压之间。

8.如权利要求7所述的组件，其特征在于，所述气体包括氩、空气或这些气体的任何组合。

9.如权利要求7所述的组件，其特征在于，所述电极的相对表面是起皱的。

10.如前述权利要求中的任一项所述的组件，其特征在于，包括串联和/或并联安装的多个开关。

说明书

防雷电组件

[0001] 本发明涉及防雷电组件，意在置于可能被雷电信号损坏的电子设备与可能受到雷电冲击并将雷电信号传送向所述电子设备的输电线之间。

[0002] 存在许多防雷电组件，包括稳压(Zener)功率二极管、瞬态吸收(Transorb)或瞬态电压抑制(TVS)二极管，它们被设计成承受由雷击生成的电压和电流的大小的电压和电流。这种类型的二极管旨在安装在容易受到雷电冲击的输电线与能量耗散电路(通常为地)之间。当输电线受到雷电冲击时，该二极管变为导电并将雷电信号传送向耗散电路(通常为地)。

[0003] 已经发现这些防护组件影响位于该组件下游的某些类型的电子设备的性能。这例如在所涉及的输电线将传感器连接到测量电路时发生。在该情况中，由于组件的特性，以相对高的温度感生出漏电流。取决于所期望的下游计量性能水平，这些漏电流可能引起将劣化测量的电压误差。尤其在差动测量电路中就是这种情况，差动测量电路使用例如仪表放大器(instrumentation amplifier)或寻找两个函数之间的模拟差的某一功能。

[0004] 本发明的一个目的是提出一种防雷电组件，该防雷电组件不会不利地影响与其连接的设备的性能，且以通用的方式来实现该结果而不管输入的类型如何，输入可以是：

[0005] ●模拟的，不管是差动的还是以其他方式连接到任何种类的电压或电流传感器或源；

[0006] ●数字的，与TTL、CMOS、LVDS或其他信号接触；

[0007] ●1553、CAN、VAN或其他类型的差动总线；或者

[0008] ●功率信号。

[0009] 为此，根据本发明提供了一种防雷电组件，包括能够传输雷电信号的至少一个主输入、用于连接到要防雷电信号的设备的至少一个主输出、用于连接到耗散电路的分支输出、用于将所述输入连接到所述主输出的直通线、以及设置在所述直通线与所述分支输出之间且装备有至少一个分支开关的分支电路，所述分支开关具有打开状态和闭合状态，在打开状态中所述分支输出与所述直通线隔离，而在闭合状态中所述雷电信号从所述直通线向所述分支输出传导。

[0010] 在其打开状态中，所述分支开关不允许可能干扰连接到所述组件的所述设备的工作的漏电流通过，但是在其闭合状态中，它使得所述雷电信号能被放电。从而为所述设备提供了防护，但是当没有雷击时不存在对所述设备的工作的干扰。

[0011] 较佳地，所述组件包括用于检测所述分支电路的工作状态的电路，所述检测电路包括用于验证所述开关的正确闭合以及所述开关中的电荷流的装置。

[0012] 较佳地，所述检测电路可由系统以及也可由一直被保护的所述设备询问。由于分支开关的存在，这种类型的分支电路的工作状态容易被检测；仅仅需要验证该开关的闭合和导通。

[0013] 该检测设备还有利地包括用于连接到要被保护的所述设备的输入/输出链路。

[0014] 该设备于是可使得工作状态被验证，并可接收表示该状态的信息。

[0015] 根据所述分支电路的一特定实施例，所述分支电路包括控制线路，所述控制线路位于用于连接到低电压电源的次级输入与所述分支开关的控制输入之间，所述控制线路装备有具有连接到所述直通线的高压控制输入的控制开关。

[0016] 在该例中，所述控制开关直接由所述雷电信号闭合，该闭合于是导致所述分支开关的闭合。这使得所述分支电路相对简单。

[0017] 根据所述组件的第一实施例，所述开关中的至少一个是装在具有恒定受控压力的气体的空腔中的微机电系统，所述微机电系统较佳地包括形成所述控制输入的一移动触点以及两个固定电极，所述移动触点被安排成在由所述控制输入中存在的电压生成的静电力的作用下从与所述电极分离的位置移动到与所述电极接触的位置。

[0018] 有利的是，所述气体是可电离化的气体，当被施加了足够的电压时，所述气体变得导电并帮助加速所述移动触点的移动。所述电离化的气体较佳地被保持在某些条件下，更具体来说是压力条件，使得所述足够的电压大约是所述雷电信号的电压的三分之一。

[0019] 根据所述组件的第二实施例，所述开关包括以如下方式被置于包含可电离化的气体的外壳中且彼此由所述气体分隔的两个电极，即所述开关被由于施加超过预定阈值的电压而造成的击穿闭合，所述预定阈值介于所述设备的标称电源电压和雷电电压之间。

[0020] 在该电压的影响下，气体被转换成导电的等离子体，从而允许在两个电极之间传导电荷。由于电极之间的隔离是固定的且可电离化的气体的压力是可控制的，只要电压位于该预定阈值之下，这种类型的开关形成了物理势垒，从而提供了没有漏电的保护。这种类型的开关尤其有利，因为它可被安装在诸如数字总线、电源总线、差动总线(1553类型或其他类型)或模拟输入之类的任何类型的电气链路上。可简单地通过对电极形成的空腔的设计来调节击穿电压，这是因为对硅和相关联的加工系统(DRIE加工、牺牲(sacrificial)加工、化学蚀刻或其他系统)的使用以及所述气压。击穿电压可相对较低，例如最高达1伏特。同时，开关可形成具有非常小的电容(pF)以及相对较小大小的电容器，同时是高度可靠的而不管电压和温度，该电容器可被放置得与电子组件尽可能地近，或者甚至在同一基板上直接放置在这些组件的输入处，使得所述组件能够被解耦。与商业上可获得的火花隙相比该开关的的使用寿命相对较长，因为空腔是从垂直结构形成的，这允许电荷的体积流而不是表面流。

[0021] 电极的相对表面较佳地是起皱的。

[0022] 构成空腔的壁的电极的起皱的几何结构(例如，该几何结构是通过DRIE加工生产的)在两个电极之间提供了多个放电点，这些点将由于随时间发生的材料的去除而改变。

[0023] 有利的是，该组件具有串联和/或并联安装的多个开关。

[0024] 雷电放电通过开关网络流走，开关可或可不通过电阻链接。以此方式，要被放电的电流可被分散在多个开关之间，从而减少了每个开关受到的压力。

[0025] 通过下面对本发明的非限制性具体实施例的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见。

[0026] 将参考附图，其中：

[0027] -图1是根据本发明的组件的示意图，

[0028] -图2是该组件的电路图，

[0029] -图3是沿垂直于该组件中所使用的开关之一的电极的平面取得的截面示意图，[0030] -图4是该开关的沿图3的线IV-IV取得的截面示意图，

[0031] -图5是该组件中所使用的开关的一种变型实施例的截面示意图。

[0032] 参考附图，根据本发明的防雷电组件(以数字1总地指示出)在该例中被安装在传感器S和用于处理从传感器S接收到的模拟电信号的设备T之间。一种已知类型的传感器S例如是用于感测可移动元件的位置的位置传感器，同样是一种已知类型的处理设备T包括例如仪表放大器以及用于使用从传感器C接收到的电信号以便控制用于移动例如所述可移动元件的电机的装置。该例仅仅是一示例，其他应用显然是可能的。

[0033] 组件1是以三维装配的集成电路(也就是说组件被垂直地和水平地放置和连接)以及安装在基板上并内装在外壳内的无源电子元件的形式安排的表面安装组件(SMC)(该架构通常称为“SiP”，是英语术语“system in package”(系统级封装)简称)。所涉及的SiP还可内装用于除所述防雷电功能之外的功能的其他集成电路、无源组件以及其他元件。

[0034] 在该例中，组件1包括连接到传感器S并能传送雷电信号的主输入2.1、连接到低电压源u的次级输入2.2、连接到要防雷电信号的处理设备T的主输出3.1、以及连接到已知类型的耗散电路(在该例中为地M)的分支输出3.2。输入2.1、2.2以及输出3.1、3.2装备有位于组件1的基底的外表面上的按阵列排列的球形(BGA)形式的触点。组件1的基底内装防雷电开关。

[0035] 组件1还包括将主输入2.1连接到主输出3.1的直通线4，以及安装在直通线4和分支输出3.2之间以数字5总地指示出的分支电路。

[0036] 分支电路5包括连接到直通线4以及连接到分支输出3.2的分支开关6，分支开关6具有打开状态和闭合状态，在打开状态中分支输出3.2与直通线4隔离，而在闭合状态中雷电信号从直通线4向分支输出3.2传导。

[0037] 分支电路5包括一控制线路，该控制线路包括控制开关7，该控制开关7经一由数字8总地指示出的延迟电路将次级输入2.2连接到分支开关6的控制输入，该延迟电路被安排成将分支开关闭合达预定时间段。应注意，在一高级版本中，可使得延迟电路8可由要被保护的系统或设备调节。

[0038] 控制开关7具有连接到直通线4的高压控制输入。

[0039] 由该保护系统所处理的雷电信号的波形是当前在航空领域中所遇见的那些，即(根据DO160标准第22和23节)：

[0040] ○波形3/单脉冲：频率F＝10MHz的衰减正弦波，

[0041] ■开路电压为1500V，

[0042] ■短路电流为60A。

[0043] ○波形4/单脉冲：上升时间Trise＝6.4μs，下降时间Tfall＝69μs，[0044] ■开路电压为750V，

[0045] ■短路电流为150A。

[0046] ○波形5A/单脉冲：上升时间Trise＝40μs，下降时间Tfall＝120μs，[0047] ■开路电压为750V，

[0048] ■短路电流为150A。

[0049] 关于雷电测试，应注意：

[0050] ●在一负载上调节用于测试防护的雷电发生器，使得能够例如以10MHz的衰减正弦波生成60A、1500V(波形3)。该信号然后被发送到保护系统，取决于后者的阻抗，电压或电流将支配该交换。

[0051] ●三种波形3、4和5A不同时存在。一般来说，两个波形共同存在于雷电攻击中(例如波形3和5A或者波形4和5A)。

[0052] 控制开关7被安排成如下方式，当控制输入受传感器S标称提供的信号的电压(例如小于1伏特)和雷电信号的电压(例如750伏特)之间的中间电压的支配时，控制开关7是闭合的。应注意，开关7可在正或负雷电干扰上被触发。引起控制开关7的闭合的电压是例如200伏特。延迟电路8包括串联安装在控制开关7和分支开关6的控制输入之间的二极管9，伴有在二极管9的阴极与地M之间彼此并联安装的电容器10和电阻器11。延迟电路8被设计成在一秒的时间段期间保持分支开关6正常闭合，来确保雷电信号的所有电荷都能够经分值开关6流至地M。

[0053] 在该例中，开关6和7是装在具有恒定受控压力的气体的空腔内的微机电系统。较佳的是，所涉及的气体是能够在上述200伏特的电压被电离的气体。开关6和7可由彼此并联和/或串联连接并由同一控制信号控制的多个MEMS开关来形成。这些开关中的每一个可由硅或其任何其他合金、结晶或以其他方式来制造(如SiC、Si3N4等)。在一更经济的版本中，开关也可由液晶聚合物(即“LCP”)来制成。

[0054] 每个微机电系统包括形成所述控制输入的可移动触点20以及彼此分离并连接到要被打断的输电线的各区段之一的两个固定电极21、22，即控制开关的控制线路以及将直通线4连接到分支开关6的分支输出3.2的分支线路。可移动触点20面对固定电极21和22延伸，并由一可变形梁携载，所述可变形梁被安排成在由控制输入中存在的电压生成的静电力的作用下，从可移动触点与电极分离的位置移动到可移动触点20施加于电极的位置，即对于控制开关7的200伏特电压和对于分支开关6的电压u。可移动触点较佳地由厚的金(厚度为1μm或以上)在镍(厚度为3μm或以上)上制成。

[0055] 显然，如果在直通线4上不存在雷电信号，则开关6和7是打开的，来自传感器S的信号经直通线4传送到处理设备T。当雷电信号被传输到直通线4时，控制开关7闭合，使得分支开关6闭合，这种闭合维持大约1秒。雷电信号然后通过分支线路向地M放电。分支开关6的控制电路相对于雷电信号的周期尽可能地快(也就是说大约0.1μs)以及处理设备T的输入阻抗相对于分支线路的阻抗高(例如比率为1000000)，这是有利的。在开关6和7的情况下，所使用的制造技术和材料因此必须允许雷电信号所引起的攻击比雷电信号本身更为迅速地被考虑(至少比攻击周期快100倍)。该要求因此与本文所述的开关的特性一致。

[0056] 根据本发明的组件1还包括以12示意示出的用于检测分支电路5的工作状态的电路。

[0057] 检测电路12包括一种已知类型的用于分别在高电压和低电压下验证开关6和7的正确闭合以及在开关6和7的闭合状态下开关6和7中的电荷流的装置。检测器件包括连接到要被保护的处理设备T的输入/输出链路13。

[0058] 响应于由处理设备T经输入/输出链路13发送到检测电路12的请求，使检测电路12工作。检测电路12被安排成在该例中与处理设备T隔离，以及执行对闭合和导通的验证。当这些验证已被执行时，检测电路12重新连接到处理设备T并向后者发送表示开关6和7的工作状态的信号。

[0059] 在该例中，检测电路12包括：

[0060] ●高达1A的直流电的发生器，

[0061] ●高电压发生器，以及

[0062] ●用于测量电压u的存在以及开关6的阻抗值的AC/DC转换器。

[0063] 电压发生器使得开关7能够在其控制期间工作。对正确工作的验证是通过验证在开关7闭合时在开关7的下游实际测得电压u来执行的。这种可调节的发生器仅仅是在晶体管、二极管和无源组件的基础上设计的。这使得能够根据时间来测量开关7的触发阈值，使得系统能够检查开关的可服务性。

[0064] 电流发生器使得在开关6的导通状态下的阻抗(Ron)能被测量。在打开状态下该开关的隔离是由上述的高电压发生器的一小部分来检查的。

[0065] 在一变型中，可能使用其他类型的开关，特别是对于开关7，尤其是如图5所示的一种开关，该开关包括两个电极31和32，这两个电极位于密封外壳内且被包含在外壳中的且填充延伸在两个电极31、32之间的自由空间33的混合气体彼此分隔。电极31、32以如下方式各自连接到要被打断的输电线的一部分，即在由于施加超过预定阈值的电压而引起的击穿(雪崩)的影响下开关闭合，该预定阈值介于设备的标称电源电压和雷电电压之间。在该例中，预定阈值等于雷电信号的预期电压的三分之一。电极中的至少一个较佳地具有有受控粗糙度以及抛光的特定表面，尤其包括镍(厚度为3μm或以上)和金(厚度为1μm或以上)。在该例中，电极31、32的相对表面是起皱的。

[0066] 在该例中的气体是可以为氩、空气或这些的任何组合的气体。

[0067] 在开关7的情况下，高触发电压的值被如下表达：

[0068] Vb＝[b*p*d]/[Ln(A*p*d)–Ln(Ln(1+1/δse))]

[0069] 其中Vb是势垒，

[0070] a和b是取决于气体的常数，

[0071] P是空腔中的气压，

[0072] d是电极间距离，以及

[0073] δse是电子发射系数(表面性质)。

[0074] 根据帕邢(Paschen)曲线，对于乘积P*d可能以1E-4bar.cm实现5E-3数量级的相当低的击穿电平，这与MEMS技术兼容。最小电平也可从空气中的326V改变为氩中的195V以及掺杂钠的氩中的95V。最终，MEMS技术使得电极的表面状态能够被修改以便向下调节击穿电压。

[0075] 在常规固体绝缘材料中，击穿的简单动作很快造成对材料的损坏(局部放电)并最终导致势垒的完全破裂。使用气体的优点是如果需要的话雪崩现象是完全可逆的，且当电压落于气体的电离化阈值之下时势垒被重新形成(自动重新生成)。

[0076] 同样在该变型中，提供串联和并联安装的多个开关来在全部这些开关之间散布雷电信号的电流是有用的，从而限制了每个开关上的压力。

[0077] 显然，本发明不限于上述实施例，而是包含落在由权利要求所定义的发明范围内的全部变型。

[0078] 具体来说，组件可包括不同类型的开关或相同类型的开关。

[0079] 控制电路可与所描述的电路不同。

[0080] 不同于控制开关的用于控制分支开关的装置将是可行的。