關(guān)于某型大氣機(jī)雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)與分析

張 琴，趙津偉，田 勇，王 飛

（成都凱天電子股份有限公司，四川 成都，610091）

0 引言

大氣機(jī)主要安裝于飛機(jī)表面，實(shí)現(xiàn)所在位置處的壓力采集及大氣參數(shù)解算，雷擊使飛機(jī)表面區(qū)域（尤其是天線或雷達(dá)附近區(qū)域）感受高能量瞬態(tài)電磁場(chǎng)，形成高能量電磁環(huán)境，通過電磁場(chǎng)耦合或阻性耦合對(duì)大氣機(jī)造成直接破壞或通過電纜束耦合成為干擾信號(hào)使大氣機(jī)功能紊亂，即雷電間接效應(yīng)。為避免上述現(xiàn)象在機(jī)上的產(chǎn)生，保證雷電環(huán)境下大氣機(jī)的正常工作，雷電間接效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)成為越來越關(guān)鍵和越來越迫切實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。由于目前國內(nèi)開展雷電試驗(yàn)的條件極為有限，而雷電試驗(yàn)的破壞性使試驗(yàn)開展難度提高，為避免試驗(yàn)失敗帶來的高成本，前期進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)開展充分的分析和驗(yàn)證損耗[1-8]。

1 指標(biāo)要求

雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)包括電纜束試驗(yàn)及引腳注入試驗(yàn)，其中電纜束試驗(yàn)主要考核雷電環(huán)境下設(shè)備電纜束上各信號(hào)的抗干擾能力，用于評(píng)價(jià)瞬變脈沖施加到電纜束時(shí)設(shè)備功能的“失效性容差”；引腳注入試驗(yàn)主要考核設(shè)備單個(gè)引腳接口電路的防護(hù)能力，以評(píng)價(jià)設(shè)備的“破壞性容差”。由于引腳注入試驗(yàn)對(duì)于產(chǎn)品防雷設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的考核更為嚴(yán)苛，以下將主要圍繞引腳注入試驗(yàn)展開分析。

根據(jù)飛機(jī)的頂層要求，安裝在雷電影響區(qū)的大氣機(jī)應(yīng)按照RTCA/DO－160G 《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn) 方 法》（Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment）（第22 章） 規(guī)定開展雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)中的引腳注入試驗(yàn)。通過引腳注入試驗(yàn)來評(píng)估大氣機(jī)接口電路的絕緣耐壓或損壞性容差，保證雷電環(huán)境下大氣機(jī)的機(jī)上使用。引腳注入試驗(yàn)要求如表1、表2 所示[9-11]。

表2 各試驗(yàn)波形條件

2 防護(hù)措施設(shè)計(jì)

對(duì)于雷電間接效應(yīng)，主要防護(hù)器件包括氣體放電管、壓敏電阻、半導(dǎo)體放電管、瞬態(tài)抑制二極管等[12，13]。

對(duì)于防護(hù)能量等級(jí)較高的應(yīng)用場(chǎng)景，采用多級(jí)組合防雷的方式。氣體放電管等器件作為第一級(jí)防雷形成雷電能量的泄放通道，瞬態(tài)抑制二極管作為第二級(jí)防雷實(shí)現(xiàn)殘壓和浪涌的抑制，共模電感、電阻、電容可以共同組成第三級(jí)防護(hù)，將設(shè)備信號(hào)通路上的電流抑制在后端電路能夠承受的范圍內(nèi)，以保護(hù)后端電路不因雷擊損壞。

對(duì)于防護(hù)能量等級(jí)較低或內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)空間限制時(shí)的設(shè)備，可以直接通過選用合適的瞬態(tài)抑制二極管進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。

瞬態(tài)抑制二極管（簡稱TVS 二極管）與常見的穩(wěn)壓二極管的工作原理基本一致，都是在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，二極管工作阻抗能迅速降低到較小的導(dǎo)通值，允許大電流通過，同時(shí)能夠?qū)⑼冯妷后橹频筋A(yù)定水平，進(jìn)而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。 TVS二極管能承受的瞬時(shí)脈沖功率可達(dá)上千瓦，其箝位響應(yīng)時(shí)間僅為lps（10-12s）。 當(dāng)選用TVS 二極管進(jìn)行雷電防護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足以下要求[14，15]：

1） TVS 二極管的最高反向工作電壓Vr 應(yīng)大于等于被保護(hù)電路的最大工作電壓；

2） TVS 二極管的最大箝位電壓Vc 應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓；

3） TVS 二極管的最大峰值脈沖功率PPR 必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率；

4） TVS 二極管可以串/并應(yīng)用，并且可以用于增大功耗，串行連接分電壓，并行連接分電流，對(duì)于雷電防護(hù)要求較高時(shí)，可選用兩個(gè)滿足要求的單極性TVS二極管組成雙極性TVS 二極管進(jìn)行防護(hù)；

5） TVS 二極管用于實(shí)現(xiàn)總線信號(hào)的防護(hù)電路時(shí)，應(yīng)考慮極間電容對(duì)產(chǎn)品使用的影響。選用二極管雷電防護(hù)電路的電流承受能力越大，極間電容也越大，普通TVS 二極管未標(biāo)明極間電容的具體數(shù)值，通常情況約50pF。

典型的脈沖持續(xù)時(shí)間tP為lms，當(dāng)施加到TVS 二極管上的脈沖時(shí)間tP比標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)間短時(shí)，其脈沖峰值功率將隨tP的縮短而增加，圖1 給出了不同系列TVS 二極管PPR與tP的關(guān)系曲線。

圖1 PPR 與tP 的關(guān)系曲線

IP—脈沖電流，單位為安培（A）；

ISC—短路電流，單位為安培（A）；

VOC—開路電壓，單位為伏特（V）；

VC—箝位電壓，單位為伏特（V）；

ZS—浪涌脈沖發(fā)生器電源阻抗，單位為歐姆（Ω）；

PPR—脈沖功率，單位為瓦特（W）。

3 實(shí)例分析說明

某型大氣機(jī)需要實(shí)現(xiàn)B4 等級(jí)雷電防護(hù)，涉及信號(hào)包括DC28V、AC115V 及RS422 信號(hào)，各信號(hào)特性如表3 所示。

表3 大氣機(jī)各信號(hào)特性

現(xiàn)基于B4 級(jí)試驗(yàn)要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)說明。

根據(jù)表1、表2 的說明，B4 等級(jí)試驗(yàn)含波形（3/3）及波形5A/5A，如圖2、圖3 所示。

圖2 波形3

圖3 波形5

波形3/3 及5A/5A，分別對(duì)應(yīng)1500V/60A 及750V/750A 的能量，計(jì)算各條件下可能產(chǎn)生的脈沖電流IP及脈沖功率PPR。由于瞬態(tài)抑制二極管手冊(cè)主要標(biāo)注為10μs/1000μs 條件下各參數(shù)指標(biāo)，換算整機(jī)測(cè)試波形（RTCA/DO－160G）與TVS 器件手冊(cè)中的IP及PPR測(cè)試波形轉(zhuǎn)換系數(shù)如表4 所示。

表4 波形轉(zhuǎn)換系數(shù)

1） 針對(duì)DC28V的防護(hù)

擬選用瞬態(tài)抑制二極管15KP28A 進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。該器件VC為47.5V，PPR為15000W（10μs/1000μs），IP為316A。

波形3/3（1MHz）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（1500-47.5）/（1500/60）=58.1A

P=47.5*58.1=2759.75W

波形5A/5A（40μs/120μs）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（750-47.5）/（750/750）=702.5A

P=47.5*702.5=33368.75W

根據(jù)波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，IP為736.28A，PPR為34950W@40μs/120μs。

因此，上述瞬態(tài)抑制二極管滿足使用要求。

2） 針對(duì)AC115V 的防護(hù)

擬選用瞬態(tài)抑制二極管TWK3-170C 進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。該器件VC為260V，IP為3000A，PPR約780000w。

波形3/3（1MHz）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（1500-260）/（1500/60）=49.6A

P=260*49.6=12896W

波形5A/5A（40μs /120μs）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（750-260）/（750/750）=490A

P=260*490=127400W

因此，上述瞬態(tài)抑制二極管滿足使用要求。

3） 針對(duì)RS422 的防護(hù)

擬選用瞬態(tài)抑制二極管5KP6.0AS 進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。該器件VC為10.3V，PPR為5000W（10μs/1000μs），IP為509A。

該RS-422 總線接口，傳輸速率9600bps，則極間電容需要小于500pF 才能滿足總線信號(hào)的正常解析，經(jīng)查，上述瞬態(tài)抑制二極管極間電容約50pF，可以滿足該總線信號(hào)的工作需求。

波形3/3（1MHz）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（1500-10.3）/（1500/60）=59.6A

P=10.3*59.6=613.9W

波形5A/5A（40μs /120μs）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（750-10.3）/（750/750）=739.7A

P=10.3*739.7=7618.9W

根據(jù)波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，IP為1328.1A，PPR為11650W@40μs /120μs。

因此，上述瞬態(tài)抑制二極管滿足使用要求。

通過以上TVS 二極管的選用理論分析，各二極管均能滿足波形3/3 及5A/5A 試驗(yàn)條件的相關(guān)要求，同時(shí)上述條件下大氣機(jī)能夠通過試驗(yàn)考核且滿足使用需求， 進(jìn)一步確定了通過瞬態(tài)抑制二極管實(shí)現(xiàn)B4等級(jí)雷電間接防護(hù)的合理性。

4 結(jié)語

針對(duì)大氣機(jī)常用的信號(hào)線，包括各電源信號(hào)及總線信號(hào)，利用瞬態(tài)抑制二極管實(shí)現(xiàn)B4 等級(jí)間接雷電防護(hù)，能夠通過試驗(yàn)驗(yàn)證考核，充分驗(yàn)證了上述TVS二極管參數(shù)選擇的正確性?；谒矐B(tài)抑制二極管實(shí)現(xiàn)的雷電間接防護(hù)設(shè)計(jì)有效保證了大氣機(jī)在雷電試驗(yàn)環(huán)境下的正常使用，后續(xù)將持續(xù)圍繞機(jī)上使用及多次雷擊條件下的性能保證開展深入分析研究。