TVS管在間接雷電防護接口電路設計中的復查方法

劉國美，王永國，禹 勇，董 凱，王影婕

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，西安 710068）

0 引言

雷電現象是指雷云之間或雷云與地之間猛烈的放電過程，在猛烈的放電過程中，會產生高達數百千安的雷電流，同時伴隨強烈的閃光和聲響。雷電流具有持續時間短、瞬間功率大的特點。另外，感應雷產生的感應電磁脈沖可干擾數據通信，甚至影響電子設備的性能、壽命或甚至損毀，因此國內軍用機載電子設備也增加了雷電防護要求[1，2]。在進行雷電防護設計時，通常使用壓敏電阻和瞬態電壓抑制二極管（TVS），本文將重點敘述主要介紹TVS管在間接雷電防護接口電路設計復查方法，提升機載電子設備的可靠性。

1 TVS管性能選擇復查

1.1 復查TVS管性能是否符合要求

根據被保護設備，路線中可能出現的過電壓極性，確定使用單極性TVS管還是雙極性TVS管。同時，應該注意以下兩點：

（1）TVS管反向工作電壓V_RWM是否高于被保護電路的最大直流或連續工作電壓。確定被保護電路的最大直流或連續工作電壓V_RWM，TVS管的反向工作電壓V_RWM應高于被保護電路的最大直流或連續工作電壓，以防止在系統正常運行時TVS管漏電流過大，導致電路發熱以及產生干擾。

（2）TVS管的最大峰值脈沖功率是否符合要求。TVS管的最大峰值脈沖功率P_W必須大于被保護電路內可能出現的峰值脈沖功率。例如：雷電防護等級3，插針試驗波形4和波形5，TVS管擊穿電壓在10V～28V選擇TVS管功率等級不應低于3000W。TVS管擊穿電壓5V～10V選擇TVS管功率等級不應低于1500W。擊穿電壓28V以上根據同電壓TVS管功率應選擇5000W以上。（注意：以上TVS管功率應為10/1000uS沖擊波形下測試）。

1.2 復查TVS管擊穿電壓是否高于浪涌電壓

是否存在正常工作狀態下出現較高電壓浪涌的情況。例如：外部輸入28V/開路信號，由于28V是由外部引入，并不了解該28V是否經過浪涌抑制或濾波措施，依據28V不同的供電特性標準要求，可能存在80V/60V/50V/47V等不等的浪涌電壓，因此TVS管的選型必須考慮擊穿電壓應高于浪涌電壓，否則當遇到電壓浪涌時，TVS管將無法吸收過高的能量而燒毀或導致印制板斷線。

應該特別注意TVS管可以用于對雷電間接效應或電源尖峰等瞬態高電壓的防護；但不能用于對浪涌電壓等持續時間較長干擾的防護，浪涌電壓發生時TVS管應處于截止狀態。

2 TVS管雷電防護的印制板走線復查

2.1 復查印制板走線方式

檢查從連接器到印制板焊接的TVS管的走線是否滿足鏈式走線，杜絕分支走線。正確走線方式如圖1所示，圖1中感應雷電從機箱連接器輸入端進入后，TVS管將承受一個高能量的瞬時電壓/電流脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，將大電流導通到地，并將電壓箝制到預定水平，從而保護電子線路中的元器件免受損壞。錯誤的走線方式如圖2所示，TVS管被加在了防護板上并未直接與被保護線路相連，當感應雷電從信號輸入端進入后電流迅速增大最終導致印制板被燒斷。

圖1 正確的走線方式

2.2 復查印制板走線寬度

檢查從輸入端到印制板焊接的TVS管的走線是否存在過細的情況（圖3標紅部分），根據接口電路要求的防雷等級選擇合適的線徑，防止因瞬時電流過大引起的印制板燒毀。根據GB/T 4588.3-02，圖4為35μm和70μm兩種導線厚度所允許的短路電流和持續時間關系，可以根據防雷要求等級選擇相應的厚度和線寬。根據實踐經驗，接口電路間接雷電設計要求，印制板厚度為35μm厚度的情況下，等級三波形四線徑不小于15mil，等級三波形五不小于30mil。

圖3 復查線路圖

圖4 35μm和70μm兩種導線厚度所允許的短路電流和持續時間關系

3 結束語

本文提出的針對機載電子設備電源接口電路的雷電防護設計復查方法，該經驗來自于某型機載電子設備整改過程，經整改后雷電防護電路隨產品通過了鑒定試驗考核，能夠有效保護后端接口電路。文中提出的TVS管在接口電路中的雷電復查方法同樣適用機載電子設備其他類型接口雷電防護設計。