一種防雷電連接器設(shè)計(jì)

龍承毅

摘要：本文主要介紹軍用機(jī)載電子設(shè)備的雷電防護(hù)要求、TVS二極管的工作原理及主要參數(shù)，并根據(jù)用戶要求，從參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面對(duì)防雷連接器設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，最終設(shè)計(jì)出滿足用戶要求的防雷電連接器。

關(guān)鍵詞： 雷電間接效應(yīng)、雷電防護(hù)、瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS二極管）、連接器

引言

軍用飛機(jī)在飛行過程中，經(jīng)常會(huì)遭受雷電襲擊，而雷電產(chǎn)生的的巨大電磁波能量會(huì)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備產(chǎn)生影響，甚至損壞設(shè)備上的電子元器件，給飛行帶來安全隱患[1]，因此，通常情況下對(duì)機(jī)載設(shè)備均有雷電防護(hù)要求。連接器作為設(shè)備的接口部分，是最先或最易受到雷電影響的零部件，若在連接器上集成了雷電防護(hù)功能，不僅能有效保護(hù)設(shè)備內(nèi)部電子元器件免受雷電損傷，還能將系統(tǒng)的防雷功能前移至接口部分，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)留出更大的空間，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來極大的便利。

本文介紹的防雷連接器是根據(jù)某用戶的需求而設(shè)計(jì)，用戶具體要求如下：

1）在常規(guī)JY27656E11B35PHN連接器基礎(chǔ)上改型，增加防雷功能，但接口尺寸不變;

2）連接器各孔位的工作電壓為±12VDC;

3）雷電間接效應(yīng)考核試驗(yàn)等級(jí)：A4;

4）最高工作溫度：85℃。

1 雷電防護(hù)要求

軍用機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)主要依據(jù)《GJB2639-1996 軍用飛機(jī)雷電防護(hù)》和《GJB3567-1999 軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》，可分為直接雷電防護(hù)和間接雷電防護(hù)。間接雷電防護(hù)試驗(yàn)主要參考《RTCA/DO-160G 機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序第22章 雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度》。

根據(jù)RTCA/DO-160G規(guī)定，間接雷電防護(hù)試驗(yàn)主要考核損傷容限試驗(yàn)，其方法是通過對(duì)被測(cè)電子設(shè)備接插件注入一定波形、一定電平等級(jí)的脈沖信號(hào)來驗(yàn)證其損傷程度。該試驗(yàn)由3種波形，5個(gè)等級(jí)組成（3種波形見圖1～圖3，5個(gè)等級(jí)見表1）。試驗(yàn)波形類別有A、B兩種，當(dāng)為類別A時(shí)，插針注入試驗(yàn)波形為波形3、波形4，當(dāng)為類別B時(shí)，插針注入試驗(yàn)波形為波形3、波形5A。在實(shí)際應(yīng)用中，將根據(jù)雷電防護(hù)等級(jí)選擇試驗(yàn)波形類別及電平等級(jí)。[2]

2 TVS二極管防雷原理及主要參數(shù)

TVS二極管的防雷原理如圖4所示，當(dāng)電路中承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，二極管能以極高的速度（ps級(jí)）使其阻抗驟然降至很低的導(dǎo)通值，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上[3]，從而確保后級(jí)的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞，達(dá)到保護(hù)其他電路元器件的目的。

對(duì)于本文所述用戶的防雷要求，可選用TVS二極管作為雷電防護(hù)器件來實(shí)現(xiàn)用戶的防雷要求。通過將TVS二極管并聯(lián)在連接器接觸件與連接器外殼之間使用，當(dāng)有雷電產(chǎn)生的高能脈沖信號(hào)通過接觸件傳輸，電壓高于TVS二極管的擊穿電壓時(shí)，二極管的阻抗會(huì)驟然降低，從而將高能脈沖信號(hào)導(dǎo)入連接器外殼，而連接器外殼通過接地最終將脈沖信號(hào)泄放掉。

TVS二極管需要考慮的主要參數(shù)包括：

最大峰值脈沖功率PPPM：二極管能承受的最大峰值脈沖功率，即在10/1000μs波形下的測(cè)試功率PPPM=VC×IPPM;

最大峰值脈沖電流IPPM：二極管能承受的最大反向峰值脈沖電流;

最大箝位電壓VC：二極管流過IPPM時(shí)兩端的電壓;

最大反向工作電壓VWM：二極管維持關(guān)斷狀態(tài)（不工作）時(shí)的最大電壓;

結(jié)電容CJ：二極管P-N結(jié)之間的電容。通常是對(duì)信號(hào)傳輸電路進(jìn)行雷電防護(hù)時(shí)需要考慮，防止結(jié)電容過大形成濾波電路，從而將工作信號(hào)濾掉。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于防雷連接器而言，如何選擇合適的TVS器件參數(shù)以滿足用戶防雷等級(jí)要求是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文用戶要求雷電防護(hù)等級(jí)為A4，代表試驗(yàn)波形類別為A類，試驗(yàn)等級(jí)為4級(jí)，根據(jù)RTCA/DO-160G的規(guī)定，插針注入試驗(yàn)波形選用圖1、圖2的波形3、波形4，因波形3只是考核TVS二極管對(duì)一定頻率信號(hào)的耐受能力，參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)可按波形4進(jìn)行計(jì)算。

由此可知，為滿足用戶A4的防雷等級(jí)要求，防雷連接器用的TVS二極管應(yīng)能夠承受表1所示波形4、等級(jí)4的開路電壓Voc=750V和短路電流Isc=150A的沖擊而不出現(xiàn)失效。于是可先計(jì)算瞬時(shí)電壓時(shí)二極管自身的源電阻Zs：

根據(jù)用戶的要求可知，最大工作電壓為12VDC，為確保二極管不影響電路的正常工作，TVS二極管最大反向工作電壓VWM必須大于12VDC，即只有當(dāng)電路兩端的電壓大于12VDC時(shí)，二極管開始工作。同時(shí)，在二極管工作后，為起到保護(hù)后級(jí)電路元器件的作用，要求二極管的箝位電壓VC又不能比12VDC高太多。本文選擇箝位電壓VC=19.9V的二極管作為雷電防護(hù)器件（Vc可以根據(jù)器件選型手冊(cè)查詢）。由此可計(jì)算出為能承受圖2所示的6.4/69μs電壓波形注入試驗(yàn)而不失效，TVS二極管需能夠承受的脈沖峰值電流IPP如下：

通常情況下，TVS二極管的最大峰值脈沖電流IPPM是在圖5所示10/1000μs的試驗(yàn)波形下測(cè)試而得，與圖2所示的6.4/69μs脈沖波形存在差異，為確定二極管的IPPM，需要將IPP換算成在10/1000μs波形下的值。根據(jù)兩種波形下功率相等可計(jì)算IPPM如下：

計(jì)算得IPPM=36.7A

至此，確定TVS二極管的參數(shù)為：

最大峰值脈沖功率PPPM=VC×IPPM=19.9V×36.7A=730.3W;

最大峰值脈沖電流IPPM=36.7A;

最大箝位電壓VC=19.9V;

最大反向工作電壓VWM>12VDC

結(jié)電容CJ：由于用戶傳輸?shù)氖?2V的直流電，因此結(jié)電容大小對(duì)電路無影響，在此無需考慮。

此時(shí)確定的是二極管在常溫下（25℃）的工作參數(shù)，常溫下只要確保二極管的最大峰值脈沖功率大于730.3W即可滿足使用要求，但在選擇二極管時(shí)，還需要考慮高溫降額的影響，通常情況下85℃時(shí)的降額達(dá)到常溫（25℃）時(shí)的50%，因此要求二極管最大峰值脈沖功率大于1460.6W，為了確保一定的設(shè)計(jì)裕度，本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品選用最大峰值脈沖功率為3000W的二極管。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

確定了防雷參數(shù)，接下來就是進(jìn)行連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如何確保在有限空間內(nèi)將二極管并聯(lián)在防雷接觸件與外殼之間將是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。用戶要求接口尺寸不變，因此保證連接器外殼對(duì)接端尺寸及安裝孔間距尺寸與JY27496E11B35PHN外殼的完全一致，同時(shí)保證型譜排列不變，只是將連接器法蘭以后的部分根據(jù)用戶的空間進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，保證有足夠的空間容納下TVS二極管，因此將連接器外殼設(shè)計(jì)為如圖6所示的結(jié)構(gòu)。

4.2 防雷模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TVS二極管分為表貼式和軸式兩種，軸式為中間為二極管，兩端為焊接引腳，通過將引腳焊接在接觸件與外殼之間實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，而表貼式則主要是將焊盤貼合焊接在印制板上的結(jié)構(gòu)。由于軸式的二極管占用軸向空間較大，在現(xiàn)有空間上無法滿足要求，因此本文的防雷連接器將選用表貼式的二極管（如圖7所示）。

而對(duì)于如何將二極管并聯(lián)在接觸件和外殼之間，本文則采用印制板轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。即先將TVS二極管焊接在印制板上，然后再將印制板通過焊孔與接觸件焊接在一起，保證接觸件與TVS二極管的一個(gè)焊盤（電極）連接，隨后，通過安裝螺釘將印制板可靠固定在連接器外殼內(nèi)腔中，而印制板的安裝孔則與TVS的另一個(gè)焊盤（電極）連接，最終將二極管并聯(lián)在接觸件和外殼之間。

由于空間限制，將印制板設(shè)計(jì)成多層的異型結(jié)構(gòu)，保證正反兩面均能焊接一定數(shù)量的TVS管，同時(shí)為了保證印制板與外殼連接可靠性，在印制板上設(shè)計(jì)了4個(gè)安裝孔，印制板結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器總是在一定的環(huán)境中使用，因此，除了保證防雷功能以外，還需考慮防潮等潛在的功能需求。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在尾端灌封一層環(huán)氧膠，一方面是用于固定接觸件，另一方面起到一定的防潮功能，同時(shí)，在尾端設(shè)計(jì)成封線體結(jié)構(gòu)并在周圈灌封硅橡膠，保證接觸件與封線體過盈配合防潮氣侵入，而尾端則增加蓋板以保護(hù)內(nèi)部TVS及印制板。最終產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

5 結(jié)語

本文根據(jù)相關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合用戶實(shí)際防雷及其他方面的需求，通過正確計(jì)算選擇合理的TVS防雷二極管參數(shù)，同時(shí)合理設(shè)計(jì)防雷電連接器結(jié)構(gòu)，成功設(shè)計(jì)出了防雷電連接器，經(jīng)過送樣用戶測(cè)試，產(chǎn)品滿足用戶A4的防雷等級(jí)及安裝需求。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，為防雷連接器的參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林凱.機(jī)載電子設(shè)備接口電路的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)[J].測(cè)試工具與解決方案.2017.07.

[2] RTCA/D0-160G-2010.機(jī)械設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法[S]. 2010.

[3] 李明.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[J].山西電子技術(shù).2016.05.