機載通信設備的雷電防護設計分析

胡 冰，黃 輝，吳冬林

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210000）

0 引言

現代飛機設計中，為了盡可能的減少機身重量提高結構強度，逐漸大量采用復合材料代替金屬材料，然而也大大的降低了機體對外部電磁環境的屏蔽效能，機載通信設備如果不能進行有效的雷電防護設計，一旦遭受雷擊，極易損壞造成功能喪失，甚至可能引發飛機災難性后果。因此，研究分析機載通信設備的雷電防護設計具有重要的現實意義。

1 機載通信設備雷電防護設計的基本原則

飛機在飛行過程中，雷電附著在飛機表面，產生回擊放電時，雷電電流的高電流變化率的瞬態過程產生強雷電脈沖電磁場，通過電磁耦合，部分雷電能量傳導或輻射進入機艙內的設備電纜上，由此引起的過電壓或過電流將導致機載設備正常功能的干擾或損壞。

在設計時應充分考慮電壓和電流瞬態波形對設備的影響，進行了雷電防護設計。現階段，雷電防護電路設計主要遵循以下基本原則：

（1）對外接口電路設置防護器件，防護器件的額定反向關斷電壓VWM 應大于或等于接口電路的最大工作電壓。

（2）防護器件的最大鉗位電壓VC 應小于接口電路的損壞電壓。

（3）防護器件的最大峰值脈沖功率PM 應大于接口電路內可能出現的峰值脈沖功率。

（4）防護器件不能影響對外接口信號的電氣性能。

2 機載通信設備雷電防護設計

2.1 對外電源端口的雷電防護設計

為了防止雷電間接效應對產品內部電路和模塊造成損壞，設備的對外連接器需要進行防雷設計。在普通連接器的基礎上，每個插針與殼體之間并聯一個瞬態電壓抑制器件TVS 管，當雷電感應產生過電壓時，通過TVS 管擊穿保護，對殼體泄放浪涌電流，同時限制輸出電壓幅值（箝位電壓），保證被保護電路的安全。TVS 管雷電防護原理見圖1。

在設備雷電防護設計中，需要根據雷電防護的具體要求選擇合適的TVS 管。以常見的D0-160G 為例，要求設備能夠防護600 V 開路電壓（Voc）和24 A 短路電流（Isc）的沖擊，本方案進行28 V 直流電源接口雷電防護設計，選取合適的TVS 管。

圖1 TVS管雷電防護原理圖

圖2 電壓/電流波形

根據開路電壓和短路電流，可以計算瞬時電壓的源阻抗Zs：

電源接口承受安全電壓50 V，因此，考慮鉗位電壓Vc≤50 V，以50 V 為典型值計算，TVS 所需的脈沖峰值電流Ipp 為：

因此，為滿足圖2中電壓/電流波形，TVS 管需耐受不小于22 A 的脈沖峰值電流。

2.2 對外射頻端口的雷電防護設計

射頻端口的雷電防護不宜直接使用TVS 管和壓敏電阻等器件，因為這類保護器件自身存在著寄生電容，在射頻信號電路中寄生電容將會破壞信號傳輸時的阻抗匹配，使正常傳輸信號發生畸變失真。為了減小保護器件自身的寄生電容，應采用氣體放電管，因為氣體放電管的的寄生電容很小，泄放電流大。但氣體放電管的箝位電壓比較高，難以直接對射頻信號電路中的電子元器件提供可靠保護。因此可采用氣體放電管、TVS 管的兩級防護設計，如圖2所示。

圖3 射頻端口防雷電路

該設計后級保護電路采用快速恢復二極管和TVS 管的組合電路，可以有效降低單個TVS 管的寄生電容，防止影響射頻信號質量。當設備遭受雷擊時，具有極快響應速度的TVS 管最先動作，將電壓箝位到一定水平，由于TVS 管通流量較小，其前級需要加電感對浪涌電流加以限制，當雷電流的持續時間達到氣體放電管的響應時間后，氣體放電管開始動作，將雷電流泄放。

3 結束語

綜上所述，隨著現代航空技術的發展，機載通信設備的雷電防護設計也越來越重要，在產品的設計過程中需對設備的對外接口電路及信號的電氣特性進行充分的分析，結合實際情況，采取有效措施，保障設備的正常運行。