航空電子產(chǎn)品高頻信號接口間接雷電防護設計

太原航空儀表有限公司 趙 巖

1 引言

隨著航空電子設備的大規(guī)模應用，電磁環(huán)境效應對飛行安全的影響也日益凸顯，其中雷電防護概念也越來越明確，雷電防護的要求也在飛機設計的初期就作為一個重要因素進行考慮。電子航空設備的發(fā)展也朝著綜合化、模塊化、通用化和智能化趨勢發(fā)展，隨著時鐘和系統(tǒng)的速度不斷加快，高頻信號的信號完整性問題也日益突出，而高頻信號在間接雷電防護方面具有特殊要求，本文講述了針對高速信號，如何實現(xiàn)間接雷電防護。

2 總體設計

雷電是一種雷云對帶不同電荷的物體進行放電的一種自然現(xiàn)象，雷電的危害一般分為兩種類型，一是直接作用，主要表現(xiàn)為熱效應和機械效應；二是間接作用，主要表現(xiàn)為靜電感應和電磁感應。作為處于飛機內(nèi)部航空電子設備主要考慮雷電間接作用的影響。本文主要探討的是具有高頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮娇针娮釉O備實現(xiàn)間接雷電防護設計。

間接雷電防護的目標為：確保飛機遭受雷擊時，電子設備不會出現(xiàn)故障、永久性的損壞或有害的瞬態(tài)誤動作；不能夠造成威脅到飛機和機上人員安全的影響。

間接雷電防護設計基本要求為：

（1）將設備的接口信號進行分類，確定保護電路的工作電流、電壓和最高耐壓；

（2）確定雷電等級，計算出瞬態(tài)功率，選擇合適的雷電防護器件；

（3）提供合理的泄放渠道；

（4）雷電防護電路不能影響設備的正常工作；

（5）盡量選取具有電磁屏蔽的材料作為電子設備的機體外殼；

（6）盡量在電纜選擇上，選擇帶防波套的電纜，并設計有效接地。

而電子設備的高頻信號，在增加防雷電路后，極易受到干擾，造成信號的失真，影響設備的正常工作，這就要去高頻信號在雷電防護時，應充分考慮信號的完整性。

3 電路設計

區(qū)別于傳統(tǒng)雷電防護電路，進行以下改動：

（1）由于進行雷電防護的電路為設備的高頻信號線，高頻信號對電路上阻抗的變化比較明顯，而普通的防雷器件（TVS管）具有較大的電容，容易對高頻信號的完整性造成影響。選用BOURNS公司的CDSOD323-T05C瞬態(tài)二極管（V1），該TVS管等效電容為3pF，廣泛應用于便攜式電話，平板電腦，數(shù)碼相機和GPS等產(chǎn)品中，對高頻信號影響較小。

（2）該TVS管的鉗位電壓VBR=6，脈沖峰值功率PPP=350w，典型電壓電流（在10μS）為18.5V/17A，假設間接雷電防護要求為A3J3L3，插針注入試驗電平為600V/24A和300V/60A，如果僅使用TVS管的話，會造成TVS管功率不夠燒毀，所以在信號接口的輸入端（間接雷電作用端）串聯(lián)增加一個快恢復保險管（F1）。選用BOURNS公司的TBU-CA065-200-WH，在10ms內(nèi)可以承受650V電壓, 最低觸發(fā)電流200mA,阻值8.6Ω。在電流超過觸發(fā)值時，切斷通路，保護后面器件，電流恢復正常后，恢復通路。

（3）可以根據(jù)信號特點，對電路中TVS管鉗位電壓和保險管觸發(fā)電流進行選擇。

4 試驗驗證

通過雷電間接效應試驗，考慮到高頻信號電纜基本采用屏蔽電纜，故下面針對插針注入進行說明，示波器采集到波形如下圖所示。

圖1 帶保險管插針注入波形3

圖2 傳統(tǒng)插針注入波形3

圖3 帶保險管插針注入波形4

圖4 傳統(tǒng)插針注入波形4

如圖1所示，由于TUB保險管會把電流截斷，所以注入波形以注入電壓滿足600V為準，將通過電流峰值控制在1A左右（第一次瞬態(tài)峰值10.5A不作為計算），且大部分時間處于截斷時間，對內(nèi)部TVS管進行保護；如圖2所示，傳統(tǒng)TVS管電路，會對注入電壓進行鉗位，故注入波形以注入電流滿足24A為準，將電壓控制在25V（第一次瞬態(tài)峰值115V不作為計算）。

如圖3所示，TBU管會把電流截斷，所以注入波形以注入電壓滿足300V為準，電流峰值達到1A左右，保管截斷電流，對內(nèi)部電路進行保護；如圖4所示，傳統(tǒng)TVS管電路，會對注入電壓進行鉗位，故注入波形以注入電流滿足60A為準，將電壓峰值控制在32.4V，并降到正常鉗位電壓25V左右。

注意：（1）當內(nèi)部電路有一定的防護能力時，可以僅用一個保險管作為間接雷電防護器件；（2）選型時，注意避免保險管截止電流與正常工作電流過于接近，引起工作異常。

5 結束語

本文主要實現(xiàn)了高頻信號接口的間接雷電防護設計，充分考慮的高頻信號的信號完整性和電氣特性，實現(xiàn)了對高頻信號的間接雷電防護設計，通過試驗表明該設計合理可行，對信號干擾較小。

[1]李然,王全忠,張峰.航空電子設備間接雷電防護設計概述[J].科技創(chuàng)新與應用,2013(23).