計算機雷電電磁防護技術

摘 要： 為了研究雷電對計算機的危害，并保護計算機免受雷電危害，在此從雷電的形成原因，機載計算機有關雷電電磁防護的要求、等級和標準方面進行了探索。通過理論分析和試驗驗證，設計了計算機各種類型防護接口電路的典型拓撲，介紹了雷電電磁防護器件的選擇依據，獲得了機載計算機的雷電電磁防護方法。

關鍵詞： 機載計算機； 雷擊； 雷電電磁防護； TVS

中圖分類號： TN911?34； TP391.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0001?04

0 引 言

現代飛機都載有各種功能的計算機，而機載計算機在生產制造、飛行、維護和整個壽命周期中會遇到各種各樣復雜的電磁使用環境，包括電磁干擾、高強輻射場、閃電雷擊、靜電等危害。作為飛機上使用的計算機，要求在各種電磁環境下都能夠可靠的正常工作，完成既定的飛行任務。因此，機載計算機的雷電電磁防護技術成為機載計算機研究設計的重要內容。

1 雷電的形成和危害

雷擊一般分為直擊雷擊和感應雷擊。

直擊雷擊是指雷電直接擊在建筑物、構架、飛行器上，由于電效應、熱效應和機械效應等混合力作用，直接摧毀建筑物、飛行器以及引起人員傷亡等。由于直擊雷的電效應，有可能使飛機或機載計算機遭受浪涌過電壓而損壞。

每次雷電的產生其實是大量的正和負電離子互相中和的放電現象。這種現象可以透過云層內部、云塊與云塊之間、云塊與空氣、云塊與大地的瞬間放電中和形成，當然，就直擊雷的破壞性而言，莫過于云塊與地上的物體發生放電所造成的毀滅性破壞[1]。感應雷擊是指雷云之間或雷云對地之間的放電而在附件的導體上產生感應電壓，該電壓通過通過導體傳送至設備，間接摧毀微電子設備。

感應雷擊對微電子設備，特別是通信設備和電子計算機網絡系統的危害最大，據資料顯示，微電子設備遭雷擊損壞，80%以上是由感應雷引起的[2]。

感應雷擊對設備造成的破壞性后果一般表現在：

（1）計算機內傳輸或存儲的信號或數據，不論模擬或數字的都會受到干擾或丟失，甚至使電子設備產生誤動作或暫時癱瘓；

（2）即使重復受到較小幅度的雷電沖擊，元器件雖不會馬上燒毀，但卻已經降低其性能及壽命；

（3）如果情況比較嚴重的，電子設備的電路板及元件便當即燒毀。

2 雷電防護要求

飛機上使用的計算機都是安裝在飛機機體內的，因此，在考慮計算機遭受雷擊是只需要考慮感應雷擊的情況，相應的雷電電磁防護設計也主要針對感應雷做相應的防護。

國際上針對機載計算機的雷電防護的試驗條件、過程執行和要求，一般參考波音公司的RTCA/DO?160E《Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne》標準。

國內對機載計算機的感應雷電防護要求主要參考GJB2639?1996《軍用飛機雷電防護》和GJB3567?1999《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》， RTCA/DO?160E標準中，感應雷電防護的試驗叫做閃電感應瞬變敏感度試驗，包括損傷容限試驗和功能受擾試驗。損傷容限試驗的方法是通過對被測計算機連接器的插針注入試驗或電纜束感應試驗來驗證其損傷抗擾度。

3 機載計算機的雷電電磁防護原理

雷電電磁防護一般采用將絕大部分雷電流直接引入地下泄散和限制被保護設備上雷電過電壓幅值兩種方案，兩種方案應該相結合使用。飛機上一般都設有放電刷，原理類似于建筑上的避雷針，可以將大部分雷擊產生的能量釋放到大氣中，然后再在各個設備上設置電涌保護器（SPD），來保護電子設備，電涌保護器電路一般包括放電管和瞬態抑制器或者壓敏電阻，放電管可以將浪涌能量大部分泄放到防雷電的“地”上，剩余的能量由瞬態抑制器或者壓敏電阻吸收[5]。系統中，按照接“地”目的和作用的不同，分為功能性接地和保護性接地。

保護性接地包括：防電擊接地、防雷接地、防靜電接地和防電蝕接地。其中防雷接地的作用是為了將雷電或浪涌導入大地，防止大電流使設備受到電擊而損壞。功能性接地目的是為了穩定電路的電位，防止外來干擾。各種接地方式各有優缺點。獨立接地可有效地防止信號之間的相互干擾，但當遭遇雷擊時，容易造成不同的接地點地電位不一樣，從而引起地電位反擊，使設備工作不正常或損壞；綜合接地能夠有效地防止地電位反擊，但又會引起不同信號之間的干擾。因此應綜合考慮系統的接地問題。

4 機載計算機的雷電電磁防護方法

瞬態電壓抑制器簡稱TVS管，是一種限壓保護器件，它的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。在瞬態峰值脈沖電流作用下，流過TVS的電流，由原來的反向漏電流，變為反向擊穿電流，其兩級呈現的電壓由額定反向關斷電壓上升到擊穿電壓，TVS被擊穿。隨著峰值脈沖電流的出現，流過TVS的電流達到峰值脈沖電流。在其兩極的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓以下，而后，隨著脈沖電流按指數衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復到起始狀態，這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的整個過程。TVS的響應時間可以達到ps級，是限壓型浪涌保護器件中最快的，用于電子電路的過壓保護時其響應速度都可滿足要求[6]。

目前的技術水平是，TVS管的功率最大可以做到50 kW，即功率小于50 kW的電路防護可以選用TVS管，該功率已經能夠滿足絕大部分的計算機的雷電電磁防護等級。IUT指出通信線路上的感應雷電流峰值不會大于125 A，在此電流量級上，TVS管完全能夠勝任，而且，TVS管的極間電容很小，不會影響通信線的速率。電源線上的感應雷電流峰值最大可到10 kA，根據防護電平等級相應的TVS管。選擇的參數主要包括反向擊穿電壓、最大箝位電壓、瞬間功率、結電容、響應時間等。根據計算機在飛機上安裝的位置以及該位置可能受到雷擊的電壓水平和電流大小、接口電纜的敷設區域，機載計算機雷電電磁防護等級選擇RTCA/DO?160E標準中的相應電平等級。計算機的機箱都是金屬材料，一般會進行良好接地，機箱能夠對計算機內部電路提供良好的屏蔽和防護，因此，機載計算機的雷電電磁防護主要是對通過電纜輸入輸出接口以及電源線進行防護。

TVS管的參數選擇需要考慮被保護線路的穩態工作電壓、箝制電壓、脈沖峰值電流、峰值功率和脈沖能量。TVS管有雙向和單向之分，根據被保護線路上的電壓正負進行選擇，由于雷擊時正負電壓都可能出現，因此，建議選用雙向TVS管。實際上：器件手冊中的參數是在溫度為25 ℃時測量的，考慮到計算機的實際工作環境和器件發熱等因素，一般應該進行降額設計，具體根據系統要求進行降額設計。降額越多，則電路可靠性越高，但相應的費用也越高。TVS管的故障模式主要是短路，但當通過的過電流太大時，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的壽命相對較長。

在實際使用環境中，機載計算機往往會受到多次雷電浪涌電壓/電流或脈沖群的沖擊，導致在短時間內積累的熱量超過器件的脈沖能量，從而燒毀防護器件，這種情況下，RTCA/DO?160E是通過閃電感應瞬變敏感度試驗中功能受擾試驗的波形和電平來模擬實際情況，因此，即使防護器件滿足單次沖擊的要求，還必須根據用戶手冊中給出的有關器件對多次沖擊及脈沖群的試驗情況選用，最終通過試驗驗證所選擇的防護器件是否滿足設計要求。

5 結 語

雷電電磁防護是集電子電路設計、集成電路和雷電試驗為一體的綜合性科學，設計人員必須根據被保護計算機的電路特點和接口信號電纜的敷設區域可能遭受的雷擊強度，選擇雷電電磁防護電路的拓撲結構和器件類型，有時甚至需要將幾種雷電防護電路和器件組合起來分級防護，以達到最優效果，同時要注意降額設計，所有的電路設計，最終都必須通過相關的試驗進行驗證。

參考文獻

[1] 周哲.雷電防護技術與發展[J].科技創新導報，2009（8）：100.

[2] 區建昌.電子設備的電磁兼容性設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[3] 楊克俊.電磁兼容原理與設計技術[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4] RTCA. RTCA DO?160E?2004 environmental conditions and test procedures for airborne equipment [S]. NW： RTCA， 2004.

[5] 林旭東，黃志成.通信設施雷電過電壓防護措施[J].中國科技信息，2010（3）：165?166.

[6] 趙喜軍，鄒偉華，王小進.地點位反擊的機理及繼電器保護產品的防雷設計[J].船電技術，2010（3）：60?62.