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1、集成三端稳压器电磁脉冲效应计算机模拟 许献国 中物院电子工程研究所 ( 成都5 1 7 信箱 I I 分箱 6 1 0 0 0 3 ) 摘要集成三端稳压器是电子系统上常用的典型集成电路器件，内部集成的大盘 晶体管及电阻等半导体单元对电磁脉冲很敏感.在电磁脉冲作用环境下，脉冲信号沿引 线注入， 可能对敏感的半导体单元产生损伤甚至损坏，导致德压器的稳压性能出现退化。 利用计算机模拟技术， 可以计算出稳压器内部半导休单元在受到电磁脉冲能t注入时的 响应情况，了解a些单元最易受损伤，对器件的电磁脉冲易很性作出预估. 关健词:电磁脉冲计算机模拟 集成电路 易损性 稳压器 引言 集成三端稳压器是电子系统中
2、广泛应用的一种稳压器件，作为一种线性模拟集 成电 路， 对电磁脉冲相对比较敏感，有必要对其抗电 磁脉冲能力进行研究。 集成三 端稳压器内 部集成了 大量三极管、电阻以 及少量稳压二极管等。当从输入端注入大 幅度的电 班脉冲脉冲信号时，内部集成的晶体三极管有可能因过热而损坏，P N结 产生短路现 象。 集成电 路的电阻单元，当端电 压较高时可能发生击穿 现象，也可能 因过热而 烧毁。 此外集成电 路内部的金属化系统引线在过流情况下会发热熔断，引 起开路.本 文针对固定 5 V输出集成三端稳压器 C W 7 8 0 5 C , 模拟分析了 其在注入矩 形脉冲时的 损伤状况， 并与试验结果进行了对比
3、。 2 集成三端稳压器 C W 7 8 0 5 C 常态功能模拟 C W 7 8 0 0 系列是一种固定输出正压的集成三端稳压器， 广泛应用于各种电子设备 中。 C V 7 8 0 5 C 输入电压范围为7 - 3 5 V ;典型输入电 压为l o v ,输出电 压为5 V ,最大 可提供1 . 5 A的负载电流，其电原理图如图 I , 基准电 压电路由Q 3 , Q 4 , Q 5 , Q 6以 及R 2 组成，基准电压的表达式为 V r =4 V , , +( R 2 / R 3 ) V , l n ( R 2 / R l ) ( 2 . 1 )西 感 彻._ _ _ J角月J，.1， 、
4、 以 许献国: 集成三端 稳压 器电 磁脉冲效应计算机模拟 式中， v ，为晶体管基射结电压，v : 为温度电压当 I，等于 2 5 m v .输出电 压 v o的 表达式则为 V o =V r ( R 1 9 + R 2 0 ) / R I 9 ( 2 . 2 ) 将图1 中 所标定的 相关参数代入式 ( 2 . 1 ) , ( 2 . 2 ) ， 可得输出电压约为5 V . - 芯 一肆 倪 “ 片 自 . 州 7 ! ,.， 。: . 牛 爪 盟 口. : 口 泊.心. -刊口一 璐 一一 毛 t . .， .J 翻 f 一 一 ee - 一 一 - I: P-1 碑 于撅撇似州一 一一
5、 闷 份!|、!t.刀1苦Ilseleeeel口ltJ?|1 一:哪二一 图1 C n 7 8 0 5 C电原理图 本文利用电路分析软件P S P I C E 对 C W 7 8 0 5 C 进行功能 模拟.P S P I C E 是微机上使 用的通用电路模拟分析程序，能够完成各种模拟渡数字电路的模拟分析.P RI C E 的辘入文件是电 路拓扑结构及元器件参数，图形化的 愉入界面使输入文件的建立方 便快捷.轴入文件建立后，P S P I S E就能够对电路的各种功能进行模拟分析。分析 完成后，以图形化显示方式输出电路各节点电 压和支路电 流，而且可以完成不同的 运算如瞬态功率的计算等。 图2
6、 给出7 C W 7 8 0 5 C 输入电 压V ( i n ) 分别为 1 0 V 和3 5 V 时，输出电压V ( O u t ) 的 瞬 态 响应 过 程。 由图2 可知 ， 输出 电 压 在 稳定 之 前 有 一瞬 态 过 渡 过程， 在1 0 泌以 后才逐渐稳定输出 5 V电压.注入 1 峪 矩形脉冲只影响德压器的瞬态响应过程。当 输入等于 l o v( 输出接负载 3 . 3 3 5 2 ) 和 3 5 V( 输出 短路)时，模拟得到各个晶 体管 的最大直流功耗如表1 所示。当 矩形脉冲注入稳压器中时，晶体管功耗超过表1 中 所列数据一定倍数时。管子性能就会发生退化甚至损坏。 j
7、卜 J盯 * 淤测 许献国:集成三端稳压器电磁脉冲效应计算机模拟 7O V 4 O V O V 书 一一一 一 一- - 一。 一一一， 一一一 一 一 一- 一一 一 一 1 . O n s 1 . 0 u5 1 ， O m s 0，V ( o u t) T i m 已 图2三端稳压器输出瞬态响应曲线 表 1 正常工作时.稗压器内部晶体管最大直流功耗 晶 体 管 编 号 工作 电 流 或功耗 晶 体 管编 号 工 作 电流 或功耗 晶体 管 编 号 工 作 电 流 或功耗 0 1 1 . 9 6 M WQ 7一 3 2 9 p W Q 1 3 3 . I B m W Q 2 8 9 口0 8
8、1 . 1 3 m W0 1 40 Q 31 8 7 0 A W Q 9 4 0 . 4 m W 1 Q 1 5 1 . 7 5 m 9 Q 41 . 5 4 m W Q 1 0 7 . 7 1 浦 Q 1 62 7 1 a l Q 5 1 . 3 6 二 ， Q l l 2 . 7 2 m WQ 1 76 . 4 1 W 96 1 0 2 A .一 I Q 1 2 2 7 . 1 m l D 1 2 . 0 7 m .一1 D 2 I1 8 . B M W 3 C W 7 8 0 5 C 电 磁脉冲损伤效应分析 C W 7 8 0 5 C是一种线性模拟集成电路，内 部集成的半导体单元的详细参
9、数很难获 得，其电 磁脉冲易损性情况也较难分析. E n i o w和 W a n s h 在 1 9 8 4年提出了一个比 较简单的模型一一 标称功率R P 模型， 对对分立器件P N 结的电 磁脉冲损伤阐值进行 预估。根据即 模型，1 p S 矩形脉冲注入时，比较保守的P N 结损伤功率 P F , ,S =1 0 R P R P 5 1 0 W ( 3 . 1 ) 式中 ， R P 为 器件 的 稳 态 工作 功 率 允许 值 ， P F , PS 的 单 位 是，.脉 冲 宽 度小 于 或 等于l o o n s 时的预估损伤功率可以按照式 ( 3 . 2 a )计算， 脉宽在 l o
10、 o n s至 1 庐 之间时 对应损 伤脉宽 t 。 的预估损伤功率按照式 ( 3 . 2 b )计算. P F C D = 3 2 0 P p , , S / t o ( 3 . 2 a ) P F , n = 3 2 P F I AS 司砚 丁( 3 . 2 b ) 式中，损伤脉宽t 。 的单位是纳秒 ( n S ) 。实际上， 集成电路内 部晶体管功率都很小。 许献国:集成三端稳压器电滋脉冲效应计算机模拟 对于 C W 7 8 0 5 C来说，管子功耗均小于 l o w , 因此可以沿用 ( 3 . 1 )式。但是，应该 注意到，由分立器件预估公式过渡到集成电路内部元件，引入了一定的不
11、确切性。 集成电路中，电阻一般是采用扩散技术 ( 扩散电阻)来制造。 扩散电阻是在进 行晶体管基区扩散时制成的，实际上 就是该扩散层的体电阻.这种电阻的一种寄生 成分是随 P N而来的二极管，二极管的反向击穿电压在 5 0 V以下， 而 P N结的漏电流 通常小于 1 0 纳安.图3 给出了I O k O 扩散电阻的等效电路，使用时N 型层要嵌位到 高电位，以便使寄生二极管处于反偏状态 ( 反向 击穿电压约 4 0 V ) . R : 为 N型层的 串联体电阻 ( 约 7 5 f 1 ) .寄生二极管反向 允许注入功耗约 l w 。当扩散电 阻端电 压超 过允许值时， 寄生二极管击穿， 对电路
12、将产生不良 影响。 在分析电路的矩形脉冲注 入损伤时，以图3 所示模型取代原理图1 中电阻R 1 3 . 杯 R = 1 0 k O P型扩散层 R , - 7 5 寄生二极管 N型 层 图3 扩散电阻等效电路 在C W 7 8 0 5 C 电路中， 调整管Q 1 6 集射极击穿电 压大约为4 0 V ， 如果超出此电压， 将出现集射极之间的击穿. 对 Q 1 6 管击穿效 应的简单处理是， 在其 C , E 极间井联 一个稳压二极管D z ， 以 此作为分析矩形脉冲注入损伤时的模型。 调整管Q 1 7 相对Q 1 6 管，比较不容易击穿.由 表 1 可知，Q 1 6管工作功耗 2 7 1 0
13、,我们可以大概推知其 允许功耗为 s o o m w 。依此类推，Q 1 7管允许功耗为 l o w ，其他晶体管允许功耗约为 I O O M W . 按 照 ( 3 . 1 ) 式 ， 1 岭矩 形 脉冲 对 允 许 功 耗为1 0 0 ， 的 管子 ， 损 伤功 率为1 W , 对 Q 1 6 损伤功率为5 w ， 对 Q 1 7 则为 1 0 0 W .因为各管集成在小的芯片内部，比分立 器 件更 易 损 伤， 相 应 损伤 功 率可 以 乘以 一 个因 子。 . 5 . 由 此 得到1 泌矩 形 脉冲对 允 许功耗为 l 0 0 m w的管子， 损伤功率为0 . 5 w ， 对Q 1
14、6 管损伤功率为2 . 5 W ，对Q 1 7 管的 损伤功率为5 0 w . 川o p 翻 卜 4 C W 7 8 0 5 C 电 磁脉冲效应计算机模拟 将考虑了元件过电压效应后的元件模型代替稳压器C W 7 8 0 5 C 原来电路中的元件 模型， 对电路进行分析，以得出其在注入矩形脉冲时的损伤概况。图4 显示出稳压 器输入 端注入脉冲V ( i n ) 等于7 0 V 时，输出端的电 压响应波形V ( o u t ) .模拟计算得 嘛 ah ;翩 刁 许献国:集成三端稳压器电 磁脉冲效应 计算机模拟 到各个晶 体管功率均小于 I R S矩形脉冲注入时的损伤功率，晶体管基本未受到损 伤。当
15、稳压 器输入l o v 直流电压时，输出电压为5 V , 稳压性能不 变. 吕 O v 4OV 弋 O V 卜。 O 3O u 曰 V OO O5 1 O V +O s 衬 .V 亏n) 1 . O us 2 . O us 巾 V ( o u t) 丫1 m 日毕 3 _O 目 5 图6注入等于 1 4 5 V时 三端稳压器输入、翰出 端电压波形 V OO - O O V io ua SS us .V C o u c ) S u 曰 丫 它的 、 硬 ， 图7德压器性能退化后输出电压响应曲线 为方便与计算机模拟波形相对比， 在矩形脉冲注入实验时不仅测得了 C w 7 8 0 5 C 输入端注入
16、波形， 而且测得了输出端的响应波形. 注入实验线路图如图 8 .当 矩形 脉冲从集成三端稳压器的输入端正向 注入时，测得典型的输入端、 输出端波 形如图 9 - 1 1 所示。 示波器通道1 ( 1 0 倍衰减) 月少 示波签通道 2 ( 1 0倍衰减) 图 8矩形脉冲注入实验线路图络 岛 痴 目 鱼 t 1夔 il 三 端 稳 压 器 电 磁 脉 冲 效 应 计 算 机 模 拟 图9表明，稳压器输入端注入大约 I O O v的 矩形脉冲时，输出 端仅仅出 现一个 瞬态的尖峰。这与稳压器正常工作时输出端电 压响应过程一致。由 图3 可知， 正常 情况下，稳压器输出端电压建立时间约 1 0 泌，在 1 泌 时间内仅有一个尖峰脉冲。 V 1 此，图9 所示情况应该是稳压器未受到损伤。 注入完成后， 对稳压器性能 进行侧 试发现，输入 1 o v 直流电压，
