TWI499151B - 具有提早觸發功能之電磁脈衝中低頻突波抑制電路 - Google Patents

Description

具有提早觸發功能之電磁脈衝中低頻突波抑制電路

本創作是有關於電磁脈衝(EMP)所引起的中低頻突波抑制電路，它能夠提早觸發以防止閃電(LEMP)或其它電子武器(NEMP、HEMP、E-bomb、PEMP)干擾所造成的電磁脈衝。

傳統戰爭與現代科技戰爭接戰序列最大不同的地方，就是第一個發生戰爭的是電子作戰，而非傳統武器的作戰，首先開端的可能是電磁武器的發動(所謂的硬殺)，接著就是資訊作戰(所謂的軟殺)。

電磁武器可分為核彈(NEMP)、高爆(HEMP)彈頭的電子脈衝彈(EBOMB)及將來有可能發展的小型可攜帶式電磁武器(PEMP)。核子脈衝彈爆炸時的威力可影響到數百公里的範圍，但也因核彈造成的損害範圍廣大，易引起國際社會的注意，相信未來戰爭直接使用核彈的機會不大，此外的它也會讓自己的通訊系統與監控系統受到損壞。由於中共具有M9等長程飛彈，可攜帶電子脈衝彈頭，這種炸彈爆炸所影響的範圍只有數十公里以內，可使其具有相當之電子脈衝作戰優勢。在其他國家方面，也都極力在發展由小型載具可攜帶的小型炸彈(PEMP)，爆炸的影 響範圍在1公里之內，所以說電子脈衝武器是將來國防科技必然的發展方向之一。請參考中共專利2244763、1162870、2400946號案，其中內容有關電磁屏蔽，花火間隙開關(又名氣體放電管GDT)，電磁脈衝模擬器(我國仍然依賴進口)，可見其對電子脈衝相關武器發展之能力與積極態度。

電子脈衝武器爆炸時會產生極高的電磁脈衝，特徵是上升的時間非常快，大約在10nsec內就可以上升到最高值，而且他的場強比閃電電磁脈衝(LEMP)的電場強更強，約在50~100KV/m之間，當感應到天線或較長的導線時，可以造成數千安培的大電流。由於他的高電壓、大電流、急上升的特性(瞬間速度非常快)，目前一般所用的避雷器並不足以達到保護的目的，因此對此種武器的防禦及研究，是我國國防科技將來必須發展的方向。

如圖1，當一個入侵脈衝高到10KV或50KV，如果未加以保護，其後的電子元件，尤其是積體電路元件，是無法承受的，很容易受到損壞。由於目前一般通訊電子裝置的前面都有LEMP避雷設施，這些設施通常是由氣體放電管(GDT)組成，但是它的動作慢，並且它的動態鉗制電壓比較高(>1KV)，以現有的LEMP保護元件，如氣體放電管等，將入侵脈衝加以鉗制，就會產生一個頭部及尾端。它的殘留峰值電壓由啟動的時間快慢所決定，若操 作反應時間夠快，在1千伏特時就會開始壓抑。若操作反應時間較慢，可能會在5KV或10KV以上才開始壓抑，長時間之殘餘之鉗制電壓則會產生電流效應，並產生高熱，進而燒毀半導體的內部構造，因此單獨這種慢速保護元件對快速上升脈波並不具保護能力。

目前一般體積電路其後則常有一個快速反應靜電(ESD)保護元件，ESD保護元件的反應動作非常快，可以將10奈秒級之入侵ESD脈波壓制，但不是一個高耐流的元件，只能承受快速高電壓但是小能量之ESD脈波，也是無法單獨承受大電荷EMP的攻擊。總而言之，其入侵快速EMP頭部的高壓電，會對其後金氧半元件的絕緣部份造成破壞，會造成元件的失效。因此以反應慢之傳統保護電路來保護會造成頭部電壓過高，且其後段長時間之鉗制電壓也會產生電流效應，並產生高熱，進而燒毀半導體的內部構造，因此、峰值的大小及鉗制部位大小、反應時間的長短，都會影響通資電路設備遭到電磁攻擊的存活率。

一般通訊設備都有單獨之EMP保護元件(LEMP保護元件)，一般積體電路其後則常有一個快速靜電保護元件；如果直接的將避雷用之慢速保護元件及ESD保護元件並連，也無法解決問題。因為電流會先流向快速導通的ESD保護元件，而ESD保護元件耐流小，直至其燒燬為止，電壓又再上升，可能尚未啟動前端避 雷用之慢速保護元件，就已燒壞後面的通訊電路設備了。此外；由於ESD保護元件均為電容性元件，將會造通資設備輸入信號之插入損(insertion loss)，影響高頻通信距離。

因此解決之方法，如圖1B，就將避雷用之慢速保護元件(如氣體放電管GDT)(41)和快速靜電保護元件(43)以阻抗元件(42)(電感或是電阻或其混合組態)組合，當電磁脈衝攻擊時先啟動後方快速靜電保護元件，並在阻抗元件建立電位，順序啟動前方大功率避雷用之慢速保護元件，以利洩放瞬間過多之電荷，完成整體之保護。基於這種觀念，我們將避雷用之慢速保護元件(如氣體放電管GDT)和快速靜電保護元件以阻抗元件(電感或是電阻或恃其混合組態)組合，將即放在通訊系統，不但可以抑制一般的雷擊效應，也可以兼顧電子武器攻擊引起之HEMP或是NEMP現象，並取得中華民國專利(公告號58888)。

經過4年多的實作以及現場測試以後發現，由氣體放電管(GDT)外面並聯一個電阻後面再用一個快速靜電保護元件(例如TVS、FED場發射元件或是齊納二極體等)；效果在高頻的時候表現優良，可是在中低頻的時候(例如在通訊線上或是電腦資料傳輸線上，範圍大約是1MHz到50MHz傳輸頻率)，這一小段的期間之內，它的壓制能力有限。串聯電阻只要稍微大餘五歐姆以上，就會造成插入損失過高的缺點，串聯電阻只要稍微小於四歐 姆以下，就會造成壓制電壓(殘餘電壓)過高的缺點。

於是就有了對中低頻電路改良的想法，首先我們就來逐漸對每個元件檢討它的壓制特性，首先從氣體放電管GDT來研究它的電流電壓特性，如圖2所示它是一個雙向導通元件，它的殘餘電壓通常都高於1.2KV以上，殘餘電壓的高低是看當時入侵的脈衝突波的上升斜率而定(dv/dt)，dv/dt越快的時候，它的壓制後殘留電壓通常都可能會越來越高。

當每秒上升的電壓超過十的十二次方的時候，也就是一奈秒上升一千伏以上的時候，它的壓制能力通常至少要在1.2千伏以上，也就是殘餘電壓大於1200伏的意思，那在這樣的結果之下，對後面的通訊系統或是其他的設備還是有機會造成它的損毀，有一個解決辦法是說，在我們現在所討論的頻率範圍是大約數千Hz到五十MHz中間這樣的頻率範圍(不是非常的高頻)，那在這個範圍之內，我們就希望能夠在前面的這部份，就是在第一級這個氣體放電管(GDT)(41)部分能夠想辦法提早它的觸發。

由前面所述，我們也不能直接把避雷用之慢速保護元件(如氣體放電管GDT)跟一個快速靜電保護元件(齊納二極體或著是TVS相關的快速保護元件)直接的並聯，因為這些較敏感的TVS或著是齊納二極體會因此而燒毀。

但是，另有一些保護元件是具有電阻性的，例如說金屬氧化物變阻器，如圖3所示；尤其在實際使用上，是特指啟動電壓V2要比氣體放電管啟動電壓V1來的低的一個金屬氧化物變阻器，或是具有負溫度係數的非線性電阻NTCR，溫度上升的時候電阻變小，來與第一級氣體放電管並聯，這樣的話就可以提早它的觸發，觸發之後因金屬氧化物變阻器有電阻性電流不會無限上升將不至於燒毀。

如圖3所示，金屬氧化物變阻器元件的啟動電壓點假設叫做V2，氣體放電管假設啟動點是V1則V2小於V1。那從圖3上來看，當它導通之後它也是雙向導通元件，唯一跟氣體放電管不同的是在於它導通的時候是有一個斜率，就相當於它本身就是一個理想的二極體再串上一個電阻。因此再本案第一實施例中，將圖1B電路修正如圖4所示，當金屬氧化物變阻器(45)導通對抗入侵電壓時，電流越來越大，它本身的電壓也會跟著升高，但是不至於說電流無限大，而導致本身的燒燬。它有一個好處，V2就開始啟動因此可以提早導通，而且因為它本身有電阻斜率的關係，不至於造成燒毀。

當然我們要進一步增加它的保護功能的話，也可以並聯使用負溫度係數(NTC)之非線性電阻器，也可以在信號路徑上串連一顆正溫度係數(PTC)非線性電阻器，以取代原來之阻抗元件(42)，當入侵電流過大時過久之後，並聯使用之NTC非線性電阻器電阻值將 會下降，洩放突波至接地端；而正溫度PTC非線性電阻器，電阻值將會上升進一步阻斷突波。

一般的TVS或著是齊納二極體(如圖5所示)跟氣體放電管GDT有什麼差別，它有個導通電壓假設是叫V3，這個V3通常都遠小於氣體放電管GDT之V1，它的導通斜率也是非常的陡，表明它導通的時候電阻也是非常的小，因此在公告588888號案中，它是用來作為快速反應最先啟動的元件(雖然放在第2級但在時間順序上它是最先反應的)，它本身是如前面所述，是較脆弱的也容易燒燬，由於它是比較脆弱的，如果有一天敵人電磁脈衝攻擊大於50KV/m甚至於高達100KV/m的時候呢，將會造成這顆元件燒燬，或著是說因為TVS或著是齊納二極體都有一定耐受的次數，當超過這些次數以後，也有可能導致這個元件的燒燬。但這顆元件一但燒燬以後，後面的電路也有失去被保護的危險，如果我們幫它也並聯另一顆啟動電壓V4之金屬氧化物變阻器(46)，如圖6所示，也就是V3大於V4的這樣一個狀況之下，在正常工作的時候，金屬氧化物變阻器元件(46)通常都不會啟動，因此對整個電路而言，實際上並沒有造成工作的影響。而且在平常的時候，它的電阻也是相當的大，唯一有可能的影響就是它有一些電容(寄生電容)將會導致整個操作頻率稍微的下降(沒有辦法操作在高頻率下)，可是如前所述，我們這次所強調的是在中低頻的工作環境之下，因此那將不至於影響它的工作。當一但過快上升或是過大 電流的電磁脈衝突波入侵的時候，第二級快速反應的元件(TVS或著是齊納二極體)將會起來工作，由於電流過大或上升速率dv/dt過快而導致TVS/齊納燒毀的時候，因為金屬氧化物變阻器本身是比較強健(Robust的元件)，所以它能接下來完成後續的保護，還可以繼續應付下一次的入侵攻擊。

更進一步是我們也可以把這兩種的組態加以混合，就是把前面加一個第一金屬氧化物變阻器，後面也加一個第二金屬氧化物變阻器，其中的第一金屬氧化物變阻器及第二金屬氧化物變阻器之啟動電壓必須要加以限制。加在前面的第一金屬氧化物變阻器的啟動電壓假設叫做V2，加在後面的第二金屬氧化物變阻器的啟動電壓叫V4，氣體放電管的啟動電壓叫V1，快速反應元件的啟動電壓叫V3。最佳的狀態下就是要V2小於V1，V4小於V3這樣的一種組態；這樣就可以達到我們所要；可以提早觸發，又可以當有一些過大極端的入侵突波的時候，導致快速反應元件燒毀，還可以確保整個電路的正常運作。

41‧‧‧避雷用之慢速保護元件(氣體放電管GDT)

42‧‧‧阻抗元件

43‧‧‧快速靜電保護元件

45‧‧‧第一金屬氧化物變阻器

46‧‧‧第二金屬氧化物變阻器

第1圖係先前技術所提供之電磁脈衝保護電路圖；第2圖係氣體放電管(GDT)之電流電壓特性圖，啟動電壓高啟動後電阻值非常小；第3圖係金屬氧化物變阻器(MOV)之電流電壓特性圖，啟動電壓低導通後有一定之電阻值；第4圖係本發明第一實施例，具有提早觸發功能突波壓抑電路圖；第5圖係快速反應元件(TVS)之電流電壓特性圖，啟動電壓低導通後電阻值非常小；第6圖係本發明第二實施例，具有加強保固功能之突波壓抑電路；第7圖係本發明第三實施例，兼有提早觸發以及加強保固功能之突波壓抑電路。

41‧‧‧避雷用之慢速保護元件(氣體放電管GDT)

42‧‧‧阻抗元件

43‧‧‧快速靜電保護元件

45‧‧‧第一金屬氧化物變阻器

46‧‧‧第二金屬氧化物變阻器

Claims (7)

1. 一種具有提早觸發功能之電磁脈衝中低頻突波抑制電路，輸入端至少包括有一級氣體放電管和阻抗元件之組合，其特徵在於：輸入端的氣體放電管並聯有第一金屬氧化物變阻器以提早觸發者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電磁脈衝中低頻突波抑制電路，其中之第一金屬氧化物變阻器的啟動電壓要小於氣體放電管者。
3. 一種具有提早觸發功能之電磁脈衝中低頻突波抑制電路，輸入端至少包括有一級氣體放電管、阻抗元件和快速靜電保護元件之組合，其特徵在於：快速保護元件更並聯一個第二金屬氧化物變阻器以加強保固者。
4. 如申請專利範圍第3項所述之之電磁脈衝中低頻突波抑制電路，其中第二金屬氧化物變阻器的啟動電壓要小於快速保護元件的啟動電壓者。
5. 一種具有提早觸發功能之電磁脈衝中低頻突波抑制電路，由至少具有一級以上的氣體放電管以及一級以上之快速保護元件所組成的，並以串級阻抗性元件加以組合；特徵在於：氣體放電管並聯有第一金屬氧化物變阻器以提早觸發；快速保護元件更並聯第二金屬氧化物變阻器以加強保固者。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電磁脈衝中低頻突波抑制電路，其中之第一金屬氧化物變阻器的啟動電壓要小於氣體放電管者。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電磁脈衝中低頻突波抑制電路，其中之第二金屬氧化物變阻器的啟動電壓要小於快速保護元件的啟動電壓者。