航空芯片的雷擊測試防護需從芯片設計、電路防護、測試驗證三個核心環節入手，結合航空領域 DO-160 等標準要求，構建 “芯片級抗擾 + 系統級防護” 的雙層保障體系。以下是具體落地方案：
一、先明確航空雷擊測試的核心標準與要求
航空電子設備雷擊測試遵循 DO-160《機載設備環境條件和測試程序》，其中第 22 節 “雷擊感應瞬態敏感度” 是核心依據，分為兩個等級：
- Level 1設備直接暴露在雷擊附近區域，需承受高強度瞬態電壓 / 電流；
- Level 2設備位於雷擊間接影響區域，側重感應瞬態防護。芯片防護需匹配設備對應的雷擊等級，確保測試中不出現 latch-up（閂鎖）、絕緣擊穿、功能失效等問題。
二、芯片設計階段的雷擊防護優化
雷擊對芯片的損害主要來自高壓瞬態浪涌和大電流衝擊，設計階段需從內部結構和工藝層面強化抗擾能力。
- ESD / 浪涌保護電路集成
- 在芯片的電源引腳（VDD/VSS）、輸入輸出引腳（I/O）集成TVS 二極管（瞬態電壓抑制器）或鉗位二極管，將浪涌電壓鉗制在芯片耐壓範圍內（如 CMOS 芯片鉗位至 5~6V）。
- 電源引腳增加片內 RC 濾波電路，電阻取 10~100Ω，電容取 10~100nF，衰減高頻雷擊瞬態信號。
- 抗閂鎖（Latch-up）設計
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採用深阱隔離工藝，隔離 CMOS 器件的寄生晶閘管結構，避免大電流下觸發閂鎖效應導致芯片燒燬。
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優化芯片版圖，增加電源和地的金屬走線寬度，降低寄生電阻，提升電流承載能力。
- 引腳耐壓強化
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輸入輸出引腳採用厚氧化層工藝，提升引腳與襯底之間的擊穿電壓（通常需達到 20V 以上，滿足 DO-160 Level 1 要求）。
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對高頻通信引腳（如 SPI、CAN），增加靜電放電保護環，分散瞬態電流。
三、系統電路層面的雷擊防護措施
僅靠芯片自身防護不足以應對航空雷擊的強幹擾，需在 PCB 板級和系統級增加防護電路，分級衰減雷擊能量。
- 電源端三級防護架構
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防護層級 |
器件選型 |
作用 |
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第一級（泄放） |
氣體放電管（GDT） |
泄放雷擊大電流（可達 kA 級別），響應時間 μs 級 |
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第二級（鉗位） |
大功率 TVS 管 |
鉗位剩餘浪涌電壓，保護後級電路 |
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第三級（濾波） |
π 型 LC 濾波器 |
濾除高頻干擾，為芯片提供純淨電源 |
注意：器件需靠近電源接口布局，GDT 與 TVS 之間的走線長度控制在 5mm 以內，減少寄生電感影響。
- 信號端防護設計
- 對外部通信接口（如 ARINC 429、Ethernet），串聯小阻值電阻（20~50Ω） 和並聯TVS 管，限制瞬態電流和電壓。
- 採用隔離型接口芯片（如隔離 CAN 收發器、隔離 RS-485 芯片），通過光耦或磁隔離切斷雷擊瞬態的傳導路徑。
- PCB 佈線優化
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電源地和信號地採用分離式接地，通過單點接地匯流排連接，避免雷擊電流在接地迴路中產生共模干擾。
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增加接地過孔密度，縮短接地路徑，降低接地阻抗；關鍵信號走線遠離板邊，減少雷擊感應面積。
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採用屏蔽層設計，對敏感電路（如模擬採樣電路）覆蓋金屬屏蔽罩，並可靠接地，衰減電磁感應干擾。
四、雷擊測試驗證與優化
防護方案需通過嚴格測試驗證，確保滿足航空標準要求，測試流程如下：
- 測試設備選型
- 採用雷擊浪涌發生器，支持 DO-160 標準的波形（如 1.2/50μs 電壓浪涌、8/20μs 電流浪涌），輸出電壓可達 20kV，電流可達 20kA。
- 搭配示波器、電流探頭、閂鎖測試系統，監測芯片引腳的瞬態響應和功能狀態。
- 核心測試項目
- 瞬態電壓敏感度測試
- 閂鎖測試
- 長期可靠性測試
在芯片電源 / 信號引腳施加標準雷擊浪涌，驗證芯片是否出現功能異常、參數漂移或永久損壞。
施加過壓 / 過流應力後，監測芯片電流變化，確認無閂鎖現象；若觸發閂鎖，需優化芯片工藝或電路防護。
進行 1000 次以上浪涌衝擊循環測試，驗證防護器件的壽命和芯片的穩定性。
- 測試問題優化
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若測試中出現芯片復位，需強化電源濾波電路或增加復位芯片（如 MAX810）；
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若出現信號誤碼，需優化信號端隔離和濾波設計，或調整通信協議的抗干擾機制（如增加校驗位）。
五、航空場景的特殊注意事項
- 輕量化與小型化航空設備對體積和重量敏感，防護器件需選擇貼片式小型封裝（如 0402 TVS 管、微型 GDT）。
- 高低温適應性防護器件需滿足 - 55℃~125℃的航空温度範圍，避免温度變化導致器件參數漂移。
- 冗餘設計關鍵安全芯片（如飛控核心芯片）採用雙冗餘防護電路，確保單一防護器件失效後仍能保障芯片安全。
航空芯片雷擊防護關鍵器件選型清單
本清單嚴格匹配 DO-160 第 22 節 標準要求，兼顧航空場景輕量化、高低温（-55℃~125℃）、高可靠性需求，分為電源端防護、信號端防護、輔助器件三大類。
一、 電源端三級防護器件
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防護層級 |
器件類型 |
推薦型號 |
關鍵參數 |
選型要點 |
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第一級（泄放） |
氣體放電管（GDT） |
EPCOS B88069X5060T502 |
直流擊穿電壓：500V；浪涌電流：20kA（8/20μs）；封裝：SMD 小型化 |
1. 擊穿電壓高於電源額定電壓 1.5~2 倍2. 選擇貼片式，替代插件式減少 PCB 空間3. 滿足 - 55℃~125℃工作温度 |
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第二級（鉗位） |
大功率 TVS 管 |
Littelfuse SM8S36CA |
反向關斷電壓：36V；鉗位電壓：58.7V；峯值脈衝功率：8000W；封裝：DO-218AB |
1. 鉗位電壓低於芯片電源引腳耐壓值（如 STM32 芯片選 36V 及以下）2. 優先選雙向 TVS，應對正負浪涌3. 高功率型號，避免雷擊時燒燬 |
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第三級（濾波） |
π 型 LC 濾波器 |
村田 DLW5BTM201SQ2L（共模電感）+ 三星 CL32A106KQNNNE（電容） |
電感：200μH，額定電流 2A；電容：10μF/50V，X7R 材質 |
1. 電感額定電流高於電源最大負載電流 1.2 倍2. 電容選 X7R 材質，温漂小，穩定性強3. 濾波器靠近芯片電源引腳佈局 |
二、 信號端防護器件
針對航空常用接口（ARINC 429、CAN、SPI、以太網）設計，兼顧隔離與浪涌抑制。
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接口類型 |
器件類型 |
推薦型號 |
關鍵參數 |
選型要點 |
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ARINC 429/CAN |
隔離型收發器 |
TI ISO1050DUB（CAN 隔離） |
隔離電壓：2500Vrms；浪涌抗擾：±15kV ESD；工作温度：-40℃~125℃ |
1. 集成隔離功能，切斷雷擊傳導路徑2. 兼容航空寬温範圍，替代非隔離收發器 |
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通用 I/O/SPI |
小型 TVS 管 |
Bourns SMBJ6.5CA |
反向關斷電壓：6.5V；鉗位電壓：10.5V；封裝：SMB |
1. 適用於 3.3V/5V 電平信號引腳2. 貼片封裝，靠近信號引腳佈局，走線長度＜3mm |
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以太網 |
網絡防雷器 |
Phoenix FLT-SEC-T1-1S-350 |
浪涌電流：10kA；工作電壓：350V；防護等級：IP20 |
1. 專為航空機載以太網設計2. 集成 GDT+TVS 兩級防護，直接串聯在網口與芯片之間 |
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所有信號端 |
限流電阻 |
國巨 RC0402JR-0727RL |
阻值：27Ω；功率：1/16W；精度：±5%；封裝：0402 |
1. 串聯在信號引腳與 TVS 之間，限制瞬態電流2. 小封裝、高精度，避免影響信號傳輸速率 |
三、 輔助防護器件
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器件類型 |
推薦型號 |
關鍵參數 |
作用 |
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接地匯流排 |
定製銅質匯流排 |
厚度≥1mm，寬度≥5mm |
實現電源地 / 信號地單點接地，降低接地阻抗，分散雷擊電流 |
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屏蔽罩 |
洋白銅屏蔽罩 |
厚度 0.15~0.2mm |
覆蓋敏感芯片（如飛控 MCU、模擬採樣芯片），接地後衰減電磁感應干擾 |
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閂鎖檢測芯片 |
TI TPS3808G01DBVT |
復位閾值：1.8V；監測電流：10μA |
實時監測芯片電源電流，出現閂鎖時觸發復位，避免芯片燒燬 |
選型通用注意事項
- 温度適配所有器件需滿足 -55℃~125℃ 航空級寬温要求，優先選擇軍工 / 航空級型號。
- 輕量化優先選 0402/0603 貼片封裝，替代插件器件，減少 PCB 面積和重量。
- 冗餘設計飛控、導航等核心芯片的防護器件，建議採用雙路冗餘佈局。
