機載電子設備雷電防護模塊的實現和應用

徐達軍

（武漢雷光防雷有限公司，湖北武漢，430074）

0 引言

機載電子設備很少遭受直擊雷電，感應雷會在機載電子設備電源線上感應過電壓，因其能量高具有很強破壞性，感應電磁脈沖影響電子設備性能，雷電防護設計成為機載電子設備需要考慮的重要部分。目前有關機載電子設備雷電防護研究較少，本文提出雷電防護設計方法，通過設計實現應用，具有較好工程設計參考價值。

1 機載電子設備雷電防護設計研究

雷電放電中產生強電磁場，干擾飛機飛行通信等，嚴重引起飛機失事引發空難。據近年來國內外民航運輸飛機事故統計，飛機在雷暴區飛行造成失事占災難性事故原因的1/6，飛機事故對乘客家庭造成傷害不可估量。如何提高機載電子電氣系統對雷電效應防護能力成為重要課題[1]。研究雷擊信號對機載電子設備的影響，設計機載電子設備防雷模塊具有重要意義。目前科學家不能對雷電現象準確預測，飛機飛行中遭受雷擊會在表面產生熱效應，破壞飛機的物理結構，雷電信號可以耦合到飛機線纜，進入飛機電子設備內部干擾工作，需要對雷電對飛機影響分析研究，設計機載電子設備防雷模塊，保證飛機飛行安全。

2 機載電子設備雷電防護要求

根據美航無線電技術委員會指定標準，針對感應雷電防護實驗為閃電感應瞬變敏感度實驗。E3M 模塊為電子設備組成部分，E3M 實現ARINC600 后矩形連接器與信號聯通，針對雷電防護要求，在E3M 模塊上對相應接口信號進行防雷電設計。研究介紹MMC 中接口信號雷電防護設計[2]。MMC 中對信號防護設計要求DVI 視頻信號頻率高，防護性能較好，離散量輸入信號通過在信號線與機殼間連接瞬態抑制二極管消除，直流28V 電源信號，在E3M 模塊中不做處理。通過在信號差分對間連接瞬態抑制二極管消除。

雷電感應瞬態敏感度進行插針注入試驗，評估設備耐壓能力，電纜線束試驗驗證試品處于相應雷電下設備承受干擾情況，研究分析插針注入試驗要求。插針式注入試驗分為3 種波形各5 個等級，Voc 表示波形信號發生器開路電壓，通過Voc/Isc 可計算信號發生器內阻Zs,金屬材質機身內部安裝設備適用波形阻A，復合材質機身內部安裝設備適用波形阻B。機載設備預期暴露程度決定設備試驗電平等級，通常設定為3 級。

3 機載電子設備防雷接口設計

雷電防護設計時使用壓敏電阻抑制二極管，考慮TVS 防護器件使用性能優于壓敏電阻，使用TVS 防護器件設計[3]。規定反向應用下，TVS 器件承受高能量瞬時電壓時，工作阻抗能降低導通值，將電壓箝制到預定水平。TVS 選型中選用TVS 器件PPP 大于TVS 器件承受最大瞬態浪涌功率，TVS 的PPP 取決于最大箝位電壓Vcmax,與脈沖波形及環境溫度有關，脈沖波形一定，PPP=K1×Vcmax×IPP，Vcmax 恒定，K1為功率系數時間因子。

E3M 模塊主要功能是將整機輸入輸出信號進行防雷沖擊保護，E3M 模塊感應雷電防護原理為在信號與機殼間并聯瞬態電壓抑制器，使MMC 內部模塊與外部接口交聯。雷電防護方法是在電路上并聯可吸收高能量浪涌器件，加工電路電壓鉗制在安全區域。瞬態電壓抑制管為TVS 管，具備極短的反應時間，兩端經受瞬間高能量沖擊時，TVS 管可吸收瞬間大電流，使電子電路中的精密元器件避免浪涌脈沖破壞，具備擊穿電壓偏小等特征。TVS 管正向特征與普通二極管相同，浪涌電壓下TVS 管兩極電壓由額定反向關斷電壓Vwm 上升到擊穿電壓Vbr，流過TVS 管電流達到峰值脈沖電流Ipp.伴隨脈沖電流指數型衰減，TVS 管電壓回復到原始狀態，是保護電子元器件過程。典型TVS 器件聲明PPP 值通過tp 為1000μs 標準脈沖波形泄放能力，施加TVS 的tp 比標準脈沖時間短，可查看器件脈沖功率與時間關系曲線，整理典型TVS 器件通過3種插針實驗波形功率系數K1 值。

設備電源接口具有較低阻抗，在電源線路需要大容量通流能力防護器件。TVS 器件選型Microsemi 公司RT65KP48A，防護電路適用于RTCA/D0-160F 規定ABZ 類設備直流電壓浪涌防護[4]。TVS 器件參數規格：鉗位電壓Vc=77.7V.峰值功率Ppp=65kW(6.4/69μs 波形）。TVS 適應波形3 的峰值通流能力3177A,滿足防護與50%降額要求。TVS 波形5A 峰值偷溜能力702A，滿足防護和50%降額要求。

表3 等效峰值功率、峰值電流計算

信號線路固有電阻抗較大，發射器輸出電阻達75ohm,線路上阻抗匹配電削弱突發雷擊浪涌電流，600W 到1500W 額定功率防護器件足夠，TVS 管子選型SMBJ7.5CA。TVS 器件參數規格：鉗位電壓Vc=13V,峰值功率Ppp=600W(10/1000μs波形）。TVS 適應波形3 峰值通流能力525A，滿足防護和50%降額要求。TVS 適應波形5A 峰值通流能力108A，滿足防護和50%降額要求。

離散輸入接口特性，電源/常開，TVS 器件選型SMCJ 40CA,峰值電流Ipp=24A.施加實驗波形，器件通流Ip=(Voc-Vc)/Zs=（600-64.5）/25=21.4A,小于器件額定等效Ipp.離散輸出接口特性接地/常開，TVS 器件選型SMCJ40CA。

4 機載防雷電子設備實現

雷電防護工程試驗關鍵是構建感應能量最短泄放路徑，雷電防護功能模塊集成不同接口類型防護電路，模塊雷電稱量釋放回路通過螺釘與設備金屬機箱連接，有效保護設備對外接口電路。對外連接器采用長針焊接型連接器，防護模塊與機箱底板相連。TVS 管子需要跨接在保護線路正線之間，管子導通釋放能量，在線路上疊加反向電動勢，對設備內部器件造成影響，需要減小線路寄生電感系數L。

E3M 模塊防護依靠TVS 管，要根據防護信號分類結果選擇適合TVS 管進行防護。對MMC 內部電路分析，HB6096 總線輸入對地電壓最大為5V，信號3 級防護選用873 廠表貼TVS管SY194A，擊穿電壓為6.67-7.37V，最大峰值電路291.3A。HB6096 信號處理采用信號線與機殼地連接瞬態抑制器。離散量信號處理采用信號線與機殼間連接瞬態抑制器，28V 開輸入類信號擊穿電壓定為33V，反向截止電壓為33V，鉗位電壓53.3V，最大峰值功率3000W(10/1000μs),地開輸入信號最大工作電壓取決于內部電路最大工作電壓。3 級防護選用873 廠表貼TVS 管SY216A，擊穿電壓為36.7-40.6V,最大峰值電流56.3A。

數據通信線路限流電阻使用，降低TVS 防護功率要求。限流電阻阻值選取兼顧通信線路阻抗匹配，通信規范要求查分發動端阻抗為75ohm，單根線路使用36ohm 限流電阻。總線接口芯片選型避免選用內置阻抗匹配電阻接口芯片，ARINC429總線發送接口芯片應選型HI-8586.限流電阻需承受瞬態大電流，線繞電阻具有更好的耐熱效應性能。波形3,4 插針注入試驗按實驗測試環境，給被試品插針注入10 個獨立瞬態信號，施加瞬態信號時間間隔為10s(±1）。記錄施加實驗電平等級3 插針實驗波形，波形3Vc=67.2V,Ip=16.8A.波形4 實測Vc 超出TVS 鉗位電壓，在后端器件耐壓范圍內起到防護設計作用。

參照SY 系列3KW 瞬態抑制二極管手冊，測試波形4 中最大脈沖寬度69μs×1.2=82.8μs,求得對應脈沖峰值功率為10kW.873 廠表貼TVS 管SY194A 按測試等級3 波形4 進行脈沖峰值功率計算，計算得到Zs=Voc/Isc=Ω，P=IP·Vc=596.78W,Ip=(Voc-Vc)/Zs=57.94A .873 廠表貼TVS 管SY194A 需承受脈沖峰值功率為596.78W。通過計算得出選用TVS 管最大脈沖峰值功率大于雷電實驗注入功率，（G）SY194A 留有7.4 倍余量，可滿足雷電防護設計余量要求。數據總線接口插針實驗波形3Vc=13.6V,Ip=9.2A,實驗結果與方案設計值相符。離散輸入/輸入接口插針實驗波形3Vc=86.8A,Ip=18.4A,波形3 實測Vc 超出TVS 鉗位電壓，多出部分在后端器件耐壓范圍內。

5 結語

本文研究設計方法在某型任務管理計算機E3M 模塊中應用，雷電實驗中設備性能穩定性，達到系統雷電防護要求。提出針對機載電子設備電源及離散接口雷電防護設計方法，雷電防護電路隨產品通過鑒定試驗考核。根據本文方法設計E3M 模塊具有良好信號瞬態抑制、鋁箔及抖動處理，可提高其抗電磁干擾及HIRF 防護能力。文中提出雷電能量計算方法適用于機載電子設備其他類型接口雷電防護設計。