航空電子設(shè)備雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

李 明

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

?

航空電子設(shè)備雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

李 明

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

介紹了雷電防護(hù)原理及常用器件，重點(diǎn)介紹TVS原理及功能。結(jié)合雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)，詳細(xì)介紹航空電子設(shè)備電路防護(hù)措施。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證防護(hù)措施效果良好，可用于同類產(chǎn)品電路防護(hù)設(shè)計(jì)。

雷電防護(hù)；TVS；雷電間接效應(yīng)；插針注入；箝位電壓

雷雨這種自然現(xiàn)象會(huì)造成飛行中的飛行器產(chǎn)生雷電效應(yīng)，對(duì)于飛行器的安全構(gòu)成危險(xiǎn)。隨著我國(guó)大型客機(jī)項(xiàng)目的開(kāi)展，對(duì)每一個(gè)機(jī)載設(shè)備的雷電防護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，國(guó)家民航總局適航要求也明確規(guī)定，航空相關(guān)配套產(chǎn)品在交付之前，都必須通過(guò)相應(yīng)雷電防護(hù)試驗(yàn)測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的防護(hù)電路是針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備雷電間接效應(yīng)，詳細(xì)闡述對(duì)模擬量及ARINC429信號(hào)電路防護(hù)措施，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證防護(hù)措施效果良好。

1 雷電防護(hù)原理及常用器件

1.1 雷電防護(hù)原理

對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)，不可能將巨大的能量泄放到大地只能通過(guò)均衡的原理在其內(nèi)部建立等電位差，這里均衡原理是要由電位補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電位補(bǔ)償系統(tǒng)由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導(dǎo)線和等電位連接器組成，在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時(shí)間里，這個(gè)系統(tǒng)可以迅速地在被保護(hù)系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)電部件之間建立起一個(gè)等電位差，這個(gè)電位差就是我們?cè)O(shè)計(jì)提出的箝位電壓值[1]。

1.2 雷電防護(hù)常用器件

目前常用的防雷電效應(yīng)的器件有：氣體放電管、壓敏電阻、電壓箝位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)、電壓開(kāi)關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管(TSS)，這些元器件的原理基本上是將輸入的瞬態(tài)電壓進(jìn)行箝位或關(guān)斷，以保護(hù)設(shè)備接口電路。這里重點(diǎn)介紹電壓箝位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)。

TVS原理是在規(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(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至很低的導(dǎo)通值，并將電位箝位至預(yù)定水平。相應(yīng)時(shí)間最快可達(dá)皮秒(ps)級(jí)，非線性特性比壓敏電阻好，能夠用于需要精密保護(hù)的電子線路中。有單向和雙向兩種類型，TVS不易老化，使用壽命長(zhǎng)。它的缺點(diǎn)是額定電流小(10/1 000 us波峰值電流在幾安至幾百安之間)。適用于需要控制精密箝位電壓的電子電路中。它的失效模式主要是短路，當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成因TVS被炸裂而開(kāi)路。圖1所示TVS功能圖和原理圖[2]。

圖1 TVS功能圖與原理圖

選取TVS器件主要考慮的參數(shù)包括：擊穿電壓V(BR)、最大反向脈沖峰值電流Ipp、最大反向工作電壓VRWM、最大箝位電壓Vc(max)、漏電流IR、電容Cpp和反向脈沖峰值功率PPR。

2 雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 雷電間接效應(yīng)

雷電間接效應(yīng)是驗(yàn)證設(shè)備耐受一組經(jīng)選擇的瞬態(tài)試驗(yàn)信號(hào)的能力，它包括插針注入試驗(yàn)和電纜束試驗(yàn)兩部分內(nèi)容。插針注入試驗(yàn)是直接驗(yàn)證設(shè)備自身設(shè)計(jì)是否具有耐受瞬態(tài)電壓電流信號(hào)的能力。通常是將選定的瞬態(tài)信號(hào)直接施加在每個(gè)插針和設(shè)備外殼地之間，主要用于評(píng)估絕緣體耐電壓的能力或設(shè)備接口電路的破壞極限。試驗(yàn)選取電平級(jí)別為3，波形組A中的波形4(Voc=300V/Isc=60 A)對(duì)設(shè)備插針注入試驗(yàn)。其中試驗(yàn)波形4見(jiàn)圖2[3]。

圖2 電壓波形4

2.2 雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)

從受試機(jī)載電子設(shè)備中選取典型信號(hào)驗(yàn)證雷電間接效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮TVS加入被保護(hù)電路后對(duì)原電路產(chǎn)生的影響：

1) 模擬量信號(hào)在航空電子設(shè)備里一般屬于微弱信號(hào)，電壓信號(hào)容易受到外界干擾。因此使用串行壓敏電阻會(huì)影響采集的模擬量信號(hào)，所以在回路中不能串入電阻來(lái)降低Ipp值，只能選用大功率TVS來(lái)實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)功能。TVS的漏電流在微安級(jí)，不會(huì)對(duì)保護(hù)線路產(chǎn)生大的影響。如圖3壓力信號(hào)TVS保護(hù)電路所示壓力傳感器輸入1號(hào)和2號(hào)引線信號(hào)加到AD620輸入端，它的供電要求為±2.3 V～±18 V。實(shí)際供電電壓為±15 V。信號(hào)形式為直流，所以選用單向TVS，針對(duì)本電路保護(hù)AD620器件在選擇TVS器件時(shí)，主要考慮參數(shù)如下：

a) 器件使用時(shí)最大反向工作電壓VRWM不低于AD620正常工作電壓?？紤]余量設(shè)計(jì)選取VRWM=10 V，通常VRWM=(0.8～0.9)V(BR)。最小V(BR)=11.1 V，最大V(BR)=12.5 V，最大箝位電壓Vc(max)不應(yīng)大于AD620的最大允許電壓，即Vc(max)=1.3×12.5=16.25 V。小于最大電壓值18 V。

b) 選取的額定最大脈沖功率應(yīng)大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。TVS器件所承受最大瞬態(tài)浪涌功率值如下公式(1)，承受的電流Ipp=(Voc-Vc(max)/(Voc/Isc)=56.75 A。

PW=(Voc-Vc(max))2/(Voc/Isc)=

(300-16.25)2/(300/60)=16.1 kW.

(1)

圖3 壓力信號(hào)TVS保護(hù)電路

c) TVS選取美國(guó)Littlefuse公司型號(hào)為SMDJ10CA[4]，其參數(shù)Vc(max)=17 V，VRWM=10 V，V(BR)=12.3 V。在脈沖時(shí)間為10/1 000 us時(shí)能夠承受的最大反向脈沖峰值電流IPP為176.5 A。

根據(jù)試驗(yàn)要求在脈沖時(shí)間69 us時(shí)脈沖峰值功率要抑制到50%(參照?qǐng)D2)。從型號(hào)SMDJ10CA的TVS提供脈沖峰值功率與脈沖時(shí)間的關(guān)系可知1 ms時(shí)脈沖峰值功率為3 kW，到0.1 ms時(shí)只有8 kW，但是到0.01 ms(即10 us)時(shí)可達(dá)到11 kW左右。器件在69 us時(shí)脈沖峰值功率為28 kW左右。因此盡管規(guī)定的是1 ms之內(nèi)的脈沖峰值功率器件，但在短窄的高速脈沖下此TVS則有更大的吸收能力。考慮器件的降額情況，SMDJ10CA TVS在75 ℃時(shí)，脈沖峰值功率降額為60%，則在75 ℃時(shí)，脈沖峰值功率降額為28 kW×0.6=16.8 kW。器件滿足試驗(yàn)要求。

2) 高頻信號(hào)頻率小于1 GHz，可以直接選擇TVS來(lái)防護(hù)。TVS由于自身存在的容值，會(huì)對(duì)一些高頻信號(hào)產(chǎn)生消弱峰值的作用，從而影響信號(hào)本身完整性。因此在選取TVS必須是內(nèi)含整流二極管的低容值TVS，電路配合串入壓敏電阻防護(hù)。

高速ARINC429信號(hào)A線或B線單根輸出線上的輸出電壓為+5 V、0 V、-5 V。AB線上差分輸出為±10 V。要在A線和B線至地線之間并接兩個(gè)方向相反的TVS，圖4是ARINC 429信號(hào)TVS保護(hù)電路。選取Littlefuse公司的型號(hào)為1KSMB6.8CA的TVS[4]。其箝位電壓為Vc=10.5 V，因此實(shí)際TVS管承受的瞬態(tài)最大反向脈沖峰值電流Ipp為：(參照?qǐng)D2，考慮信號(hào)源的內(nèi)阻值為5 Ω)

Ipp=(Voc-Vc)/Zs=(300-10.5)/5=57.9 A.

(2)

理論上峰值功率為：

Ppp=Vc×Ipp=10.5×57.9=607.95 W.

(3)

如果在TVS的前端串入電阻，實(shí)際TVS承受的Ipp值會(huì)更小，例如串入30 Ω電阻，則Ipp值為：

Ipp=(Voc-Vc)/(Zs+30)=(300-10.5)/(30+5)=8.27 A.

(4)

峰值功率為：

Ppp=Vc×Ipp=10.5×8.27=86.835 W.

(5)

在確定實(shí)際的TVS峰值功率Ppp時(shí)，可考慮信號(hào)源內(nèi)阻和線路中串入電阻的影響，來(lái)降低峰值功率Ppp。

圖4 ARINC 429信號(hào)TVS保護(hù)電路

1KSMB6.8CA TVS自身容值Cpp與偏置電壓的關(guān)系圖5所示。從圖中看出最大反向電壓VRWM為6 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的容值為2 000 pf。符合實(shí)際應(yīng)用。

圖5 TVS自身容值Cpp與偏置電壓的關(guān)系

(注：Bi-directional為雙極性TVS偏置電壓，Uni-directional為單極性TVS偏置電壓)

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

對(duì)上面設(shè)計(jì)防護(hù)電路進(jìn)行雷電間接效應(yīng)插針注入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖中結(jié)果可以看出，TVS在防護(hù)電路中很好的抑制住瞬態(tài)電壓信號(hào)干擾，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

(a) ARINC429信號(hào)A線波形圖

(b) 模擬量信號(hào)波形圖

3 結(jié)論

本文以航空電子設(shè)備典型信號(hào)為例，介紹了利用TVS器件應(yīng)對(duì)雷電間接效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證效果良好，已投入實(shí)際應(yīng)用。這些設(shè)計(jì)是作者在實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望對(duì)以后同類產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)起到借鑒作用。

[1] 虞昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2] 陳窮.電磁兼容工程師設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1993:10.

[3] RTCA.DO-160E,機(jī)栽設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法[S].美國(guó)，2004.12.

[4] Littelfuse.PRODUCT CATALOG&DESIGN GUIDE[OL].www.Littelfuse.com,2008.

Protection and Certification of Aviation Electronic Equipment for the Indirect Effects of Lightning

Li Ming

(TaiyuanAero-Instruments.Co,.Ltd.,TaiyuanShanxi030006,China)

The lightning protection principle and devices commonly used are introduced in this paper.It also focuses on the TVS principle and function.Based on the experiment of lightning indirect effect,the paper introduces the avionics circuit protective measures in details.The test results show that the protective measures are effective,and can be used in the design of similar products circuit protection.

lightning protection; TVS; lightning indirect effects; pin injection; clamping Voltage

2016-06-30

李 明(1978-)，女，山西太原人，碩士研究生，主要從事機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)采集及處理方面工作。

1674-4578(2016)05-0023-03

TN409

B