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

于文剛 李云豐 畢筱曼

摘 ? 要：隨著航空技術(shù)的發(fā)展，一些普遍采用的復(fù)合材料技術(shù)以及微計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)對雷電環(huán)境變化的敏感程度大大提高，這對現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。本文首先通過分析目前航空技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，對航空機(jī)載電子間接設(shè)備的雷電防護(hù)原理和常用器件進(jìn)行了描述;其次，詳細(xì)介紹了電壓箝位型瞬態(tài)抑制二極管（TVS）的原理和功能，并對雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，論述了對航空電子設(shè)備的具體防護(hù)措施;最后，通過試驗(yàn)證明：本文給出的航空機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)措施的效果非常明顯，可以將其運(yùn)用于同類電子產(chǎn)品電路的防護(hù)。

關(guān)鍵詞：雷電防護(hù)設(shè)計(jì) ?TVS ?雷電間接效應(yīng)

中圖分類號：TN409 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0001-03

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國各地大約每天會(huì)發(fā)生數(shù)萬次的雷電現(xiàn)象，各種各樣的飛機(jī)都無法避免的會(huì)遇到危險(xiǎn)的雷電天氣，這種自然現(xiàn)象會(huì)對飛行器的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，其產(chǎn)生的危害是難以估量的，會(huì)造成處于飛行過程中的飛行器發(fā)生雷電效應(yīng)。我國飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，這也帶來了一些問題，使得我國對機(jī)載設(shè)備的雷電防護(hù)有了更嚴(yán)格的要求，因此也就有了這樣一項(xiàng)規(guī)定：我國的航空產(chǎn)品在確認(rèn)交付使用之前，都要進(jìn)行嚴(yán)密的雷電防護(hù)測試?；诖?，本文針對機(jī)載電子設(shè)備在雷電天氣會(huì)產(chǎn)生的雷電間接效應(yīng)設(shè)計(jì)了防護(hù)電路，并針對模擬量及ARINC429信號電路提出了具體可行的防護(hù)手段，最終，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)過程，證明了這些防護(hù)措施能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備的雷電防護(hù)起到非常有益的效果，值得推行。

1 ?雷電防護(hù)原理及常用器件

1.1 雷電防護(hù)原理

由于飛行器不能將大量的能量釋放到地面，那么均衡的原理就發(fā)揮了作用，這就需要在飛行器的內(nèi)部建立起一定的等電位差，而其中運(yùn)用的均衡原理是必須要由電位補(bǔ)償系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。電位補(bǔ)償系統(tǒng)是利用有效的接地系統(tǒng)、金屬導(dǎo)線以及等電位連接器來實(shí)現(xiàn)的，在非常短的時(shí)間之內(nèi)，該電位補(bǔ)償系統(tǒng)能夠在所要保護(hù)的系統(tǒng)所處的區(qū)域內(nèi)建立等電位差，這個(gè)等電位差也就是通常所說的“箝位電壓值”[1]，它涉及該區(qū)域內(nèi)一切的導(dǎo)電裝置。

1.2 雷電防護(hù)常用器件

氣體放電管、壓敏電阻、TVS、TSS這些元器件都是目前較為常用的雷電效應(yīng)防護(hù)裝置，而且共同點(diǎn)在于，它們的原理都是將輸入的瞬態(tài)電壓進(jìn)行箱位或關(guān)斷，利用這種手段來保護(hù)電路，本文在這里重點(diǎn)介紹了TVS，也就是電壓箝位瞬態(tài)抑制二極管。

TVS是一種在電子設(shè)備中普遍使用的二極管，對電路保護(hù)具有非常好的效果，它能夠在亞納秒級的時(shí)間內(nèi)對信號做出響應(yīng)，而且還具有極高的浪涌吸收能力。TVS的原理是：在限定的條件下，當(dāng)TVS的兩端施加某一種瞬時(shí)的、高能量的過壓脈沖時(shí)，為了吸收一個(gè)瞬間的大電流、把兩端的電壓控制在預(yù)先設(shè)定的數(shù)字上，它能快速的將其阻壓值降的很低，因此才能夠很好地保護(hù)其后的電路元件不受沖擊，而響應(yīng)時(shí)間最快可以達(dá)到皮秒級。此外，TVS的非線性特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于壓敏電阻，它能夠用于保護(hù)精密的電子線路，有單、雙向之分。當(dāng)然，TVS也是有缺點(diǎn)的，它的缺點(diǎn)在于額定電流小，適合應(yīng)用于嚴(yán)格控制箝位電壓的精細(xì)電路中，當(dāng)它的功能失效時(shí)，原因多半在于短路，當(dāng)電流太大時(shí)，可能會(huì)發(fā)生因TVS破裂而導(dǎo)致的開路[2]。

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)是用來驗(yàn)證電子設(shè)備對一組瞬間狀態(tài)的試驗(yàn)信號的耐受能力的高低的，分為插針注入試驗(yàn)、電纜束試驗(yàn)兩部分。插針注入試驗(yàn)采用直接驗(yàn)證的方式，驗(yàn)證設(shè)備本身對瞬態(tài)電壓電流信號的耐受能力，通常情況下，插針注入試驗(yàn)是在每個(gè)插針和設(shè)備外殼之間釋放瞬態(tài)信號，用來估測絕緣體對電壓的耐受能力或者是被測設(shè)備接口電路能夠承受的破壞程度。而與插針注入試驗(yàn)不同，電纜束試驗(yàn)則主要是用于評價(jià)設(shè)備的失效性容差[3]。

2.2 雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)

從進(jìn)行試驗(yàn)的機(jī)載設(shè)備中選取典型信號，來檢驗(yàn)雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的效果，并考慮電路中接入TVS后原電路表現(xiàn)出的變化。

（1）通常情況下，模擬量信號是比較微弱的，外界的干擾對其電壓信號影響較大，如果使用串行壓敏電阻，則會(huì)對模擬量信號的采集產(chǎn)生影響，所以不能采用在回路中串行入電阻來降低IPP值的方式來得到雷電防護(hù)的效果，只能選取大功率的TVS。TVS的漏電流不高，處于微安級，所以對保護(hù)線路的影響不大。如圖1所示，傳感器在AD620的輸入端口接入了1號和2號引線信號，要求它的供電電壓為±2.3V±18V，而實(shí)際上，它的供電電壓是±15V，并且采用的是直流的信號形式，所以才會(huì)選用單向的TVS，在選擇TVS器件方面，本電路的保護(hù)AD620器件重點(diǎn)考慮。

①在電壓要求方面，規(guī)定AD620的正常工作電壓VRWM必須要高于使用器件時(shí)能達(dá)到的最大反向工作電壓?？紤]到余量設(shè)計(jì)，試驗(yàn)時(shí)規(guī)定VRWM=10V，通常情況下，最小V，最大V，而最大箝位電壓Vc（max）不應(yīng)大于AD620的最大允許電壓，即V，小于最大電壓值18V。

②在功率方面，要求試驗(yàn)中所選擇器件的額定最大脈沖功率必須要比電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率大。如下給出了TVS器件所需承受的最大瞬態(tài)浪涌功率值，A;kW。

③TVS選取SMDJ10CA型號，它涉及的參數(shù)為：V，V，V，當(dāng)脈沖時(shí)間為10/1000μs時(shí)，它所能夠承受的IPP為176.5A。（IPP為最大反向脈沖峰值電流）。

根據(jù)試驗(yàn)的相關(guān)要求，如果脈沖時(shí)間達(dá)到69μs時(shí)，脈沖峰值功率必須要抑制在50%。從SMDJ10CA TVS規(guī)定的脈沖峰值功率與脈沖時(shí)間的關(guān)系能夠得知：當(dāng)脈沖時(shí)間為1ms時(shí)，相應(yīng)的脈沖峰值功率能達(dá)到3kV;而當(dāng)脈沖時(shí)間為0.1ms時(shí)，其對應(yīng)的脈沖峰值功率卻只能達(dá)到8kV;但是到脈沖時(shí)間為0.01μs（即10μs）時(shí)，脈沖峰值功率為11kV左右;然而，當(dāng)器件的脈沖時(shí)間在69μs時(shí)，它的脈沖峰值功率為28kV。由此可知，雖然試驗(yàn)規(guī)定器件的脈沖峰值功率必須要在1ms之內(nèi)，但在既短又窄的高速脈沖環(huán)境下，此TVS的吸收能力卻更加強(qiáng)大。如果考慮到器件的降額情況，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)。

在75℃時(shí)，SMDJ10CA TVS的脈沖峰值功率降額值是60%，即28km×0.6=16.8km，由此可以得知，該器件能夠滿足試驗(yàn)的相關(guān)要求。

（2）當(dāng)信號頻率在1吉赫以下時(shí)，就不再考慮其他防護(hù)器件，應(yīng)該直接選擇TVS。由于TVS自身具有一定的容值，因此它能夠削弱某些高頻率的信號所產(chǎn)生的峰值，這就會(huì)導(dǎo)致其對信號自身的完整性產(chǎn)生一定的影響，因此，在選取TVS要考慮的因素是：所選擇的TVS的內(nèi)部必須要包含整流二極管，而且必須是低容值的TVS，除此之外，電路中也要配合串入壓敏電阻進(jìn)行防護(hù)。

在速度很高的ARINC 429信號的A線或B線中，它們在單個(gè)輸出線上的輸出電壓為+5V、0V、+5V，AB線上差分輸出為±10V，需要將兩個(gè)方向相反的TVS并行接入到A線和B線到地線之間。如圖2所示，選用1KSMB6.8CA TVS，它的箝位電壓為VC=10.5V，因此，TVS實(shí)際承受的IPP為

IPP=57.9A

理論上峰值功率為

PPP=607.95W

如果將電阻接入在TVS前面的端口，那么TVS實(shí)際上承受的IPP值就會(huì)比理論上小很多。例如，串入30Ω電阻，則IPP值為

IPP=8.27A

峰值功率為

W

很多情況下，理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)是有一些誤差的。那么我們在確定實(shí)際的TVS峰值功率PPP時(shí)，就可以適當(dāng)?shù)目紤]利用信號源自身的內(nèi)阻或者是在線路中接入幾個(gè)電阻的所產(chǎn)生的影響，以此來達(dá)到降低峰值功率PPP的目的。

圖3是1KSMB6.8CA TVS自身的容值CPP與其偏置電壓的關(guān)系，從下面的圖片中能夠得出這樣一個(gè)結(jié)論：當(dāng)防護(hù)器件的最大反向電壓VWM達(dá)到6V時(shí)，那么這一器件所對應(yīng)的容值就能夠達(dá)到2000pf，這一結(jié)論表明該試驗(yàn)?zāi)軌驊?yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中。

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

對上述設(shè)計(jì)防護(hù)電路進(jìn)行雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：在防護(hù)電路中，TVS能夠很好發(fā)揮抑制瞬態(tài)電壓信號產(chǎn)生的影響的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的效果，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3 ?結(jié)語

本文通過對航空機(jī)載電子設(shè)備的典型信號進(jìn)行深入研究，詳細(xì)介紹了TVS這一器件在防護(hù)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的重要作用，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了此防護(hù)設(shè)計(jì)能夠?qū)C(jī)載電子設(shè)備的防護(hù)產(chǎn)生十分有效的影響，對航空機(jī)載電子設(shè)備的保護(hù)做出了巨大貢獻(xiàn)，且已經(jīng)投入到實(shí)際的應(yīng)用中，能夠?qū)θ蘸罂萍及l(fā)展過程中的同類型產(chǎn)品的電路防護(hù)提供思路。

參考文獻(xiàn)

[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[M].北京：國防工業(yè)出版社，1993.

[3] RTCA. D0-160E，機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法[S].美國，2004.