航空電子產(chǎn)品高頻信號接口間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

太原航空儀表有限公司 趙 巖

1 引言

隨著航空電子設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，電磁環(huán)境效應(yīng)對飛行安全的影響也日益凸顯，其中雷電防護(hù)概念也越來越明確，雷電防護(hù)的要求也在飛機(jī)設(shè)計(jì)的初期就作為一個(gè)重要因素進(jìn)行考慮。電子航空設(shè)備的發(fā)展也朝著綜合化、模塊化、通用化和智能化趨勢發(fā)展，隨著時(shí)鐘和系統(tǒng)的速度不斷加快，高頻信號的信號完整性問題也日益突出，而高頻信號在間接雷電防護(hù)方面具有特殊要求，本文講述了針對高速信號，如何實(shí)現(xiàn)間接雷電防護(hù)。

2 總體設(shè)計(jì)

雷電是一種雷云對帶不同電荷的物體進(jìn)行放電的一種自然現(xiàn)象，雷電的危害一般分為兩種類型，一是直接作用，主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)；二是間接作用，主要表現(xiàn)為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。作為處于飛機(jī)內(nèi)部航空電子設(shè)備主要考慮雷電間接作用的影響。本文主要探討的是具有高頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮娇针娮釉O(shè)備實(shí)現(xiàn)間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。

間接雷電防護(hù)的目標(biāo)為：確保飛機(jī)遭受雷擊時(shí)，電子設(shè)備不會出現(xiàn)故障、永久性的損壞或有害的瞬態(tài)誤動作；不能夠造成威脅到飛機(jī)和機(jī)上人員安全的影響。

間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì)基本要求為：

（1）將設(shè)備的接口信號進(jìn)行分類，確定保護(hù)電路的工作電流、電壓和最高耐壓；

（2）確定雷電等級，計(jì)算出瞬態(tài)功率，選擇合適的雷電防護(hù)器件；

（3）提供合理的泄放渠道；

（4）雷電防護(hù)電路不能影響設(shè)備的正常工作；

（5）盡量選取具有電磁屏蔽的材料作為電子設(shè)備的機(jī)體外殼；

（6）盡量在電纜選擇上，選擇帶防波套的電纜，并設(shè)計(jì)有效接地。

而電子設(shè)備的高頻信號，在增加防雷電路后，極易受到干擾，造成信號的失真，影響設(shè)備的正常工作，這就要去高頻信號在雷電防護(hù)時(shí)，應(yīng)充分考慮信號的完整性。

3 電路設(shè)計(jì)

區(qū)別于傳統(tǒng)雷電防護(hù)電路，進(jìn)行以下改動：

（1）由于進(jìn)行雷電防護(hù)的電路為設(shè)備的高頻信號線，高頻信號對電路上阻抗的變化比較明顯，而普通的防雷器件（TVS管）具有較大的電容，容易對高頻信號的完整性造成影響。選用BOURNS公司的CDSOD323-T05C瞬態(tài)二極管（V1），該TVS管等效電容為3pF，廣泛應(yīng)用于便攜式電話，平板電腦，數(shù)碼相機(jī)和GPS等產(chǎn)品中，對高頻信號影響較小。

（2）該TVS管的鉗位電壓VBR=6，脈沖峰值功率PPP=350w，典型電壓電流（在10μS）為18.5V/17A，假設(shè)間接雷電防護(hù)要求為A3J3L3，插針注入試驗(yàn)電平為600V/24A和300V/60A，如果僅使用TVS管的話，會造成TVS管功率不夠燒毀，所以在信號接口的輸入端（間接雷電作用端）串聯(lián)增加一個(gè)快恢復(fù)保險(xiǎn)管（F1）。選用BOURNS公司的TBU-CA065-200-WH，在10ms內(nèi)可以承受650V電壓, 最低觸發(fā)電流200mA,阻值8.6Ω。在電流超過觸發(fā)值時(shí)，切斷通路，保護(hù)后面器件，電流恢復(fù)正常后，恢復(fù)通路。

（3）可以根據(jù)信號特點(diǎn)，對電路中TVS管鉗位電壓和保險(xiǎn)管觸發(fā)電流進(jìn)行選擇。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)，考慮到高頻信號電纜基本采用屏蔽電纜，故下面針對插針注入進(jìn)行說明，示波器采集到波形如下圖所示。

圖1 帶保險(xiǎn)管插針注入波形3

圖2 傳統(tǒng)插針注入波形3

圖3 帶保險(xiǎn)管插針注入波形4

圖4 傳統(tǒng)插針注入波形4

如圖1所示，由于TUB保險(xiǎn)管會把電流截?cái)?，所以注入波形以注入電壓滿足600V為準(zhǔn)，將通過電流峰值控制在1A左右（第一次瞬態(tài)峰值10.5A不作為計(jì)算），且大部分時(shí)間處于截?cái)鄷r(shí)間，對內(nèi)部TVS管進(jìn)行保護(hù)；如圖2所示，傳統(tǒng)TVS管電路，會對注入電壓進(jìn)行鉗位，故注入波形以注入電流滿足24A為準(zhǔn)，將電壓控制在25V（第一次瞬態(tài)峰值115V不作為計(jì)算）。

如圖3所示，TBU管會把電流截?cái)啵宰⑷氩ㄐ我宰⑷腚妷簼M足300V為準(zhǔn)，電流峰值達(dá)到1A左右，保管截?cái)嚯娏?，對?nèi)部電路進(jìn)行保護(hù)；如圖4所示，傳統(tǒng)TVS管電路，會對注入電壓進(jìn)行鉗位，故注入波形以注入電流滿足60A為準(zhǔn)，將電壓峰值控制在32.4V，并降到正常鉗位電壓25V左右。

注意：（1）當(dāng)內(nèi)部電路有一定的防護(hù)能力時(shí)，可以僅用一個(gè)保險(xiǎn)管作為間接雷電防護(hù)器件；（2）選型時(shí)，注意避免保險(xiǎn)管截止電流與正常工作電流過于接近，引起工作異常。

5 結(jié)束語

本文主要實(shí)現(xiàn)了高頻信號接口的間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，充分考慮的高頻信號的信號完整性和電氣特性，實(shí)現(xiàn)了對高頻信號的間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)合理可行，對信號干擾較小。

[1]李然,王全忠,張峰.航空電子設(shè)備間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì)概述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(23).