機(jī)載通信設(shè)備的雷電防護(hù)設(shè)計分析

胡 冰，黃 輝，吳冬林

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210000）

0 引言

現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計中，為了盡可能的減少機(jī)身重量提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，逐漸大量采用復(fù)合材料代替金屬材料，然而也大大的降低了機(jī)體對外部電磁環(huán)境的屏蔽效能，機(jī)載通信設(shè)備如果不能進(jìn)行有效的雷電防護(hù)設(shè)計，一旦遭受雷擊，極易損壞造成功能喪失，甚至可能引發(fā)飛機(jī)災(zāi)難性后果。因此，研究分析機(jī)載通信設(shè)備的雷電防護(hù)設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。

1 機(jī)載通信設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計的基本原則

飛機(jī)在飛行過程中，雷電附著在飛機(jī)表面，產(chǎn)生回?fù)舴烹姇r，雷電電流的高電流變化率的瞬態(tài)過程產(chǎn)生強(qiáng)雷電脈沖電磁場，通過電磁耦合，部分雷電能量傳導(dǎo)或輻射進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備電纜上，由此引起的過電壓或過電流將導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備正常功能的干擾或損壞。

在設(shè)計時應(yīng)充分考慮電壓和電流瞬態(tài)波形對設(shè)備的影響，進(jìn)行了雷電防護(hù)設(shè)計?，F(xiàn)階段，雷電防護(hù)電路設(shè)計主要遵循以下基本原則：

（1）對外接口電路設(shè)置防護(hù)器件，防護(hù)器件的額定反向關(guān)斷電壓VWM 應(yīng)大于或等于接口電路的最大工作電壓。

（2）防護(hù)器件的最大鉗位電壓VC 應(yīng)小于接口電路的損壞電壓。

（3）防護(hù)器件的最大峰值脈沖功率PM 應(yīng)大于接口電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。

（4）防護(hù)器件不能影響對外接口信號的電氣性能。

2 機(jī)載通信設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計

2.1 對外電源端口的雷電防護(hù)設(shè)計

為了防止雷電間接效應(yīng)對產(chǎn)品內(nèi)部電路和模塊造成損壞，設(shè)備的對外連接器需要進(jìn)行防雷設(shè)計。在普通連接器的基礎(chǔ)上，每個插針與殼體之間并聯(lián)一個瞬態(tài)電壓抑制器件TVS 管，當(dāng)雷電感應(yīng)產(chǎn)生過電壓時，通過TVS 管擊穿保護(hù)，對殼體泄放浪涌電流，同時限制輸出電壓幅值（箝位電壓），保證被保護(hù)電路的安全。TVS 管雷電防護(hù)原理見圖1。

在設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計中，需要根據(jù)雷電防護(hù)的具體要求選擇合適的TVS 管。以常見的D0-160G 為例，要求設(shè)備能夠防護(hù)600 V 開路電壓（Voc）和24 A 短路電流（Isc）的沖擊，本方案進(jìn)行28 V 直流電源接口雷電防護(hù)設(shè)計，選取合適的TVS 管。

圖1 TVS管雷電防護(hù)原理圖

圖2 電壓/電流波形

根據(jù)開路電壓和短路電流，可以計算瞬時電壓的源阻抗Zs：

電源接口承受安全電壓50 V，因此，考慮鉗位電壓Vc≤50 V，以50 V 為典型值計算，TVS 所需的脈沖峰值電流Ipp 為：

因此，為滿足圖2中電壓/電流波形，TVS 管需耐受不小于22 A 的脈沖峰值電流。

2.2 對外射頻端口的雷電防護(hù)設(shè)計

射頻端口的雷電防護(hù)不宜直接使用TVS 管和壓敏電阻等器件，因為這類保護(hù)器件自身存在著寄生電容，在射頻信號電路中寄生電容將會破壞信號傳輸時的阻抗匹配，使正常傳輸信號發(fā)生畸變失真。為了減小保護(hù)器件自身的寄生電容，應(yīng)采用氣體放電管，因為氣體放電管的的寄生電容很小，泄放電流大。但氣體放電管的箝位電壓比較高，難以直接對射頻信號電路中的電子元器件提供可靠保護(hù)。因此可采用氣體放電管、TVS 管的兩級防護(hù)設(shè)計，如圖2所示。

圖3 射頻端口防雷電路

該設(shè)計后級保護(hù)電路采用快速恢復(fù)二極管和TVS 管的組合電路，可以有效降低單個TVS 管的寄生電容，防止影響射頻信號質(zhì)量。當(dāng)設(shè)備遭受雷擊時，具有極快響應(yīng)速度的TVS 管最先動作，將電壓箝位到一定水平，由于TVS 管通流量較小，其前級需要加電感對浪涌電流加以限制，當(dāng)雷電流的持續(xù)時間達(dá)到氣體放電管的響應(yīng)時間后，氣體放電管開始動作，將雷電流泄放。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載通信設(shè)備的雷電防護(hù)設(shè)計也越來越重要，在產(chǎn)品的設(shè)計過程中需對設(shè)備的對外接口電路及信號的電氣特性進(jìn)行充分的分析，結(jié)合實際情況，采取有效措施，保障設(shè)備的正常運行。