機載電子設備雷電防護計算及器件選型

2020-12-28 10:12:44曹加勇

通信電源技術 2020年17期

曹加勇，王威，蔣華

（成都新欣神風電子科技有限公司，四川成都 611731）

0 引言

近年來，國內民用和軍用航空市場發展速度較快，針對機載電子設備的雷電防護試驗是適航安全性范疇必須通過的項目。因此，機載電子設備的雷電防護設計越來越引起設計人員的重視[1]。機載電子設備雷電防護試驗，又稱為雷電感應瞬態敏感度試驗。國內機載電子設備雷電防護要求的主要依據為GJB2639—1996《軍用飛機雷電防護》，鑒定試驗標準主要參考GJB3567A—1999《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》和HB6129—1987《飛機雷電防護要求及試驗方法》。

機載電子設備大都安裝在設備艙內，一般不會遭受直擊雷，故大部分危害來自于感應雷。據統計，機載電子設備的損壞，80%都是由感應雷引起的。因此，目前大部分機載電子設備均對感應雷提出了雷電防護要求[2]。在此簡單介紹雷電防護要求，并提出了設計的計算方法和器件選型方法，為雷電防護設計提供參考。

1 雷電防護要求

目前，國內間接雷電防護試驗主要依據RTCA/DO-160G—2010《Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment》中第22章《雷電感應瞬態敏感度》的要求開展。按照要求，雷擊試驗包含插腳注入試驗和電纜束試驗。其中，插腳注入測試主要用來評估損壞，并直接將瞬變波形插入測試設備的接口電路和外殼之間。這種方法用來評定設備接口電路的絕緣耐壓和損壞性容差。而電纜束試驗是一種通過電纜感應或對地注入施加瞬態信號的試驗技術。該技術用來確認航空設備能夠承受外部雷電環境產生的內部電磁影響而不引起功能失效或部件損壞。可以看出，相比電纜束試驗，插腳注入試驗的破壞性更強。如果設備自身的絕緣耐壓不夠或設備不能承受該類試驗的電壓電流瞬變，則必須外加相應的雷電防護電路，吸收或轉移相應的雷擊能量。本文只描述插腳注入試驗要求,并介紹其防護措施。

1.1 插腳注入試驗波形類別選擇

插腳式注入試驗要求如表1所示。

表1 插腳注入試驗要求

插腳注入試驗共有3種波形，每種波形包括5個等級共15種組合波形。插腳試驗試驗電平如表2所示。VOC表示波形信號發生器開路電壓，ISC表示波形信號發生器短路電流，信號發生器的內阻ZS=VOC/ISC。根據設備安裝的飛機機身材質選擇插腳注入波形組的類別，金屬材質機身內部安裝的設備適用波形組A，復合材質機身內部安裝設備適用波形組B。插腳試驗電壓/電流波形3如圖1所示，插腳試驗電壓波形4/電流波形1如圖2所示，插腳試驗電壓/電流波形5A如圖3所示。

表2 插腳試驗試驗電平

圖1 插腳試驗電壓/電流波形3

圖2 插腳試驗電壓波形4/電流波形1

圖3 插腳試驗電壓/電流波形5A

1.2 插腳注入試驗電平等級選擇

根據設備和電纜安裝位置的預期暴露程度選擇試驗電平等級。飛機內部安裝在適度暴露環境中機載電子設備的試驗電平等級為3級。常見的雷電試驗類別為A3、J3以及L3。其中，A3表示插腳試驗波形為A，插腳試驗電平為3級。J3表示電纜束試驗波形為J，電纜束試驗電平為3級。L3表示電纜束多脈沖群試驗波形為L，電纜束多脈沖群試驗電平為3級。依據RTCA/DO-160G的規定，電壓/電流波形3的頻率應該在1.0 MHz。分析實際波形和開短路電壓電流，插腳試驗電壓波形4/電流波形1對電路的破壞力最強，是防雷電路的主要設計依據。

2 雷電防護電路設計

雷電防護電路的作用是保障設備在雷電防護試驗過程中或在實際雷電環境使用時，不會出現損壞或者功能性失效。雷電防護電路必須具有以下特性。即設備在正常環境中工作時該電路不動作，且損耗要低，而在雷電環境中工作時需要能夠快速響應。該電路在雷電環境工作時，應能吸收足夠多的雷電能量，有效保護后級電路，而且設計余量應充足。此外，還需注意雷電防護電路引入的寄生參數不能影響設備的正常工作。

2.1 雷電防護常用器件

常用的雷電防護器件有氣體放電管、壓敏電阻以及瞬態電壓抑制器等。氣體放電管是利用內部惰性氣體在浪涌電壓出現時被電離而進入短路狀態的特性保護后級設備，免遭浪涌電壓的破壞和干擾。其可承受電流大，寄生電容小，但響應時間長，起弧電壓高，因此常用于一級防護。壓敏電阻利用其兩端電壓超過額定值后電阻值急劇下降的特點，鉗兩位端電壓進而吸收浪涌電壓能量，具有峰值電流承受能力大的優點。但其寄生電容和殘壓比較大。瞬態電壓抑制器又稱TVS管，當其兩端受到瞬態高壓沖擊時，能以ns級速度將兩端間的高阻抗變為極低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，并使兩端電壓鉗位在預定值,可有效保護后級電路，免受各種浪涌電壓破壞，而且具有響應速度快、漏電流小以及寄生電容小等優點[3-4]。目前，單顆TVS管吸收的浪涌功率最大可高達30 kW。這3種器件各有優缺點，應根據不同的雷電防護等級和需要保護的后級電路特點進行選擇。對于機載電子設備，要求雷電防護產品體積小且響應快，因此目前大部分選用TVS管進行雷電防護。

2.2 TVS選型

TVS的選擇應該遵循如下步驟。首先，確定后級待保護電路工作電壓的最大值。其次，TVS的額定反向截止電壓Vr必須大于或者等于后級待保護電路的最高電壓，TVS的最大鉗位電壓VC應低于后級待保護電路所承受的最高電壓，TVS的最大峰值脈沖功率PPP必須大于待保護電路可能出現的峰值脈沖功率。最后，對于電平有正有負的信號線，必須使用雙向TVS管，同時要注意TVS管的極間寄生電容不能影響通信速率。此外，TVS管選型時必須同時參考峰值脈沖功率的時間特性、溫度特性以及器件的降額設計。

以28 V機載電子設備3級雷電防護設計為例。由于該系統中直流電源線和信號線的額定工作電壓均為28 V，最高電壓為50 V。因此對于該系統中28 V直流電源線和信號線，均可選擇型號為SMDJ54CA的雙向TVS管進行雷電防護。SMDJ54CA雙向TVS的電氣特性如表3所示。

表3 SMDJ54CA電氣特性

2.3 TVS參數計算

當使用波形3時，開路電壓為600 V，短路電流為24 A。此時：

式中，ZS為源阻抗；VOC為開路電壓；ISC為短路電流。

TVS管所需的脈沖峰值電流為：

式中，VC為TVS管的最大鉗位電壓。

TVS管所承受的脈沖峰值功率為：

因此，為滿足DO-160G中等級3和波形3的試驗要求，選取的TVS管需耐受不小于20.52 A的脈沖峰值電流和不低于1 787 W的脈沖峰值功率。

當使用波形4時，開路電壓為300 V，短路電流為60 A。此時：

TVS管所需的脈沖峰值電流為：

TVS管所承受的脈沖峰值功率為：

因此，為滿足DO-160G中等級3和波形4的試驗要求，選取的TVS管需耐受不小于42.58 A的脈沖峰值電流和不低于3 709 W的脈沖峰值功率。但通過查詢所選TVS管SMDJ54CA的技術規格書可知，其最大峰值脈沖電流為34.4 A，最大峰值脈沖功率為3 000 W。僅從數值上看，其不能滿足DO-160G中等級3和波形4的試驗要求。

此外應注意的是，在TVS管選型時，TVS器件規格書中標注的IPP和PPP值是指通過標準脈沖波形時的泄放能力，tp為1 ms。當施加到TVS上的tp比標準脈沖短時，IPP和PPP值將顯著增加。SMDJ54CA脈沖功率和脈沖時間的關系曲線如圖4所示。在通過tp為120 μs脈沖波形時，該TVP可承受的最大功率約為8 kW，最大電流約為91.8 A，滿足波形4的防護要求。

圖4 TVS脈沖峰值功率與脈沖時間關系圖

2.4 特殊信號線的雷電防護

對于大部分電源線和信號線的雷電防護設計均可以參照上述器件計算和選型原則進行。但是對于某些特殊信號線的雷電防護設計需要改變方法，如5 V或3.3 V電平的信號線。受限于TVS管的制作工藝，TVS的最大反向工作電壓不能做的太低。目前，TVS管中最大反向電壓最低為5.0 V，其鉗位電壓約為9.6 V。對于5.0 V或者3.3 V電平信號線來說，雷電防護時鉗位電壓太高，可能會損壞后級電路。低電平信號線雷電防護電路如圖5所示。