機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)模塊的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

徐達(dá)軍

（武漢雷光防雷有限公司，湖北武漢，430074）

0 引言

機(jī)載電子設(shè)備很少遭受直擊雷電，感應(yīng)雷會在機(jī)載電子設(shè)備電源線上感應(yīng)過電壓，因其能量高具有很強(qiáng)破壞性，感應(yīng)電磁脈沖影響電子設(shè)備性能，雷電防護(hù)設(shè)計(jì)成為機(jī)載電子設(shè)備需要考慮的重要部分。目前有關(guān)機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)研究較少，本文提出雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，具有較好工程設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

1 機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計(jì)研究

雷電放電中產(chǎn)生強(qiáng)電磁場，干擾飛機(jī)飛行通信等，嚴(yán)重引起飛機(jī)失事引發(fā)空難。據(jù)近年來國內(nèi)外民航運(yùn)輸飛機(jī)事故統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)在雷暴區(qū)飛行造成失事占災(zāi)難性事故原因的1/6，飛機(jī)事故對乘客家庭造成傷害不可估量。如何提高機(jī)載電子電氣系統(tǒng)對雷電效應(yīng)防護(hù)能力成為重要課題[1]。研究雷擊信號對機(jī)載電子設(shè)備的影響，設(shè)計(jì)機(jī)載電子設(shè)備防雷模塊具有重要意義。目前科學(xué)家不能對雷電現(xiàn)象準(zhǔn)確預(yù)測，飛機(jī)飛行中遭受雷擊會在表面產(chǎn)生熱效應(yīng)，破壞飛機(jī)的物理結(jié)構(gòu)，雷電信號可以耦合到飛機(jī)線纜，進(jìn)入飛機(jī)電子設(shè)備內(nèi)部干擾工作，需要對雷電對飛機(jī)影響分析研究，設(shè)計(jì)機(jī)載電子設(shè)備防雷模塊，保證飛機(jī)飛行安全。

2 機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)要求

根據(jù)美航無線電技術(shù)委員會指定標(biāo)準(zhǔn)，針對感應(yīng)雷電防護(hù)實(shí)驗(yàn)為閃電感應(yīng)瞬變敏感度實(shí)驗(yàn)。E3M 模塊為電子設(shè)備組成部分，E3M 實(shí)現(xiàn)ARINC600 后矩形連接器與信號聯(lián)通，針對雷電防護(hù)要求，在E3M 模塊上對相應(yīng)接口信號進(jìn)行防雷電設(shè)計(jì)。研究介紹MMC 中接口信號雷電防護(hù)設(shè)計(jì)[2]。MMC 中對信號防護(hù)設(shè)計(jì)要求DVI 視頻信號頻率高，防護(hù)性能較好，離散量輸入信號通過在信號線與機(jī)殼間連接瞬態(tài)抑制二極管消除，直流28V 電源信號，在E3M 模塊中不做處理。通過在信號差分對間連接瞬態(tài)抑制二極管消除。

雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度進(jìn)行插針注入試驗(yàn)，評估設(shè)備耐壓能力，電纜線束試驗(yàn)驗(yàn)證試品處于相應(yīng)雷電下設(shè)備承受干擾情況，研究分析插針注入試驗(yàn)要求。插針式注入試驗(yàn)分為3 種波形各5 個(gè)等級，Voc 表示波形信號發(fā)生器開路電壓，通過Voc/Isc 可計(jì)算信號發(fā)生器內(nèi)阻Zs,金屬材質(zhì)機(jī)身內(nèi)部安裝設(shè)備適用波形阻A，復(fù)合材質(zhì)機(jī)身內(nèi)部安裝設(shè)備適用波形阻B。機(jī)載設(shè)備預(yù)期暴露程度決定設(shè)備試驗(yàn)電平等級，通常設(shè)定為3 級。

3 機(jī)載電子設(shè)備防雷接口設(shè)計(jì)

雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)使用壓敏電阻抑制二極管，考慮TVS 防護(hù)器件使用性能優(yōu)于壓敏電阻，使用TVS 防護(hù)器件設(shè)計(jì)[3]。規(guī)定反向應(yīng)用下，TVS 器件承受高能量瞬時(shí)電壓時(shí)，工作阻抗能降低導(dǎo)通值，將電壓箝制到預(yù)定水平。TVS 選型中選用TVS 器件PPP 大于TVS 器件承受最大瞬態(tài)浪涌功率，TVS 的PPP 取決于最大箝位電壓Vcmax,與脈沖波形及環(huán)境溫度有關(guān)，脈沖波形一定，PPP=K1×Vcmax×IPP，Vcmax 恒定，K1為功率系數(shù)時(shí)間因子。

E3M 模塊主要功能是將整機(jī)輸入輸出信號進(jìn)行防雷沖擊保護(hù)，E3M 模塊感應(yīng)雷電防護(hù)原理為在信號與機(jī)殼間并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制器，使MMC 內(nèi)部模塊與外部接口交聯(lián)。雷電防護(hù)方法是在電路上并聯(lián)可吸收高能量浪涌器件，加工電路電壓鉗制在安全區(qū)域。瞬態(tài)電壓抑制管為TVS 管，具備極短的反應(yīng)時(shí)間，兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時(shí)，TVS 管可吸收瞬間大電流，使電子電路中的精密元器件避免浪涌脈沖破壞，具備擊穿電壓偏小等特征。TVS 管正向特征與普通二極管相同，浪涌電壓下TVS 管兩極電壓由額定反向關(guān)斷電壓Vwm 上升到擊穿電壓Vbr，流過TVS 管電流達(dá)到峰值脈沖電流Ipp.伴隨脈沖電流指數(shù)型衰減，TVS 管電壓回復(fù)到原始狀態(tài)，是保護(hù)電子元器件過程。典型TVS 器件聲明PPP 值通過tp 為1000μs 標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形泄放能力，施加TVS 的tp 比標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)間短，可查看器件脈沖功率與時(shí)間關(guān)系曲線，整理典型TVS 器件通過3種插針實(shí)驗(yàn)波形功率系數(shù)K1 值。

設(shè)備電源接口具有較低阻抗，在電源線路需要大容量通流能力防護(hù)器件。TVS 器件選型Microsemi 公司RT65KP48A，防護(hù)電路適用于RTCA/D0-160F 規(guī)定ABZ 類設(shè)備直流電壓浪涌防護(hù)[4]。TVS 器件參數(shù)規(guī)格：鉗位電壓Vc=77.7V.峰值功率Ppp=65kW(6.4/69μs 波形）。TVS 適應(yīng)波形3 的峰值通流能力3177A,滿足防護(hù)與50%降額要求。TVS 波形5A 峰值偷溜能力702A，滿足防護(hù)和50%降額要求。

表3 等效峰值功率、峰值電流計(jì)算

信號線路固有電阻抗較大，發(fā)射器輸出電阻達(dá)75ohm,線路上阻抗匹配電削弱突發(fā)雷擊浪涌電流，600W 到1500W 額定功率防護(hù)器件足夠，TVS 管子選型SMBJ7.5CA。TVS 器件參數(shù)規(guī)格：鉗位電壓Vc=13V,峰值功率Ppp=600W(10/1000μs波形）。TVS 適應(yīng)波形3 峰值通流能力525A，滿足防護(hù)和50%降額要求。TVS 適應(yīng)波形5A 峰值通流能力108A，滿足防護(hù)和50%降額要求。

離散輸入接口特性，電源/常開，TVS 器件選型SMCJ 40CA,峰值電流Ipp=24A.施加實(shí)驗(yàn)波形，器件通流Ip=(Voc-Vc)/Zs=（600-64.5）/25=21.4A,小于器件額定等效Ipp.離散輸出接口特性接地/常開，TVS 器件選型SMCJ40CA。

4 機(jī)載防雷電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)

雷電防護(hù)工程試驗(yàn)關(guān)鍵是構(gòu)建感應(yīng)能量最短泄放路徑，雷電防護(hù)功能模塊集成不同接口類型防護(hù)電路，模塊雷電稱量釋放回路通過螺釘與設(shè)備金屬機(jī)箱連接，有效保護(hù)設(shè)備對外接口電路。對外連接器采用長針焊接型連接器，防護(hù)模塊與機(jī)箱底板相連。TVS 管子需要跨接在保護(hù)線路正線之間，管子導(dǎo)通釋放能量，在線路上疊加反向電動勢，對設(shè)備內(nèi)部器件造成影響，需要減小線路寄生電感系數(shù)L。

E3M 模塊防護(hù)依靠TVS 管，要根據(jù)防護(hù)信號分類結(jié)果選擇適合TVS 管進(jìn)行防護(hù)。對MMC 內(nèi)部電路分析，HB6096 總線輸入對地電壓最大為5V，信號3 級防護(hù)選用873 廠表貼TVS管SY194A，擊穿電壓為6.67-7.37V，最大峰值電路291.3A。HB6096 信號處理采用信號線與機(jī)殼地連接瞬態(tài)抑制器。離散量信號處理采用信號線與機(jī)殼間連接瞬態(tài)抑制器，28V 開輸入類信號擊穿電壓定為33V，反向截止電壓為33V，鉗位電壓53.3V，最大峰值功率3000W(10/1000μs),地開輸入信號最大工作電壓取決于內(nèi)部電路最大工作電壓。3 級防護(hù)選用873 廠表貼TVS 管SY216A，擊穿電壓為36.7-40.6V,最大峰值電流56.3A。

數(shù)據(jù)通信線路限流電阻使用，降低TVS 防護(hù)功率要求。限流電阻阻值選取兼顧通信線路阻抗匹配，通信規(guī)范要求查分發(fā)動端阻抗為75ohm，單根線路使用36ohm 限流電阻?？偩€接口芯片選型避免選用內(nèi)置阻抗匹配電阻接口芯片，ARINC429總線發(fā)送接口芯片應(yīng)選型HI-8586.限流電阻需承受瞬態(tài)大電流，線繞電阻具有更好的耐熱效應(yīng)性能。波形3,4 插針注入試驗(yàn)按實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境，給被試品插針注入10 個(gè)獨(dú)立瞬態(tài)信號，施加瞬態(tài)信號時(shí)間間隔為10s(±1）。記錄施加實(shí)驗(yàn)電平等級3 插針實(shí)驗(yàn)波形，波形3Vc=67.2V,Ip=16.8A.波形4 實(shí)測Vc 超出TVS 鉗位電壓，在后端器件耐壓范圍內(nèi)起到防護(hù)設(shè)計(jì)作用。

參照SY 系列3KW 瞬態(tài)抑制二極管手冊，測試波形4 中最大脈沖寬度69μs×1.2=82.8μs,求得對應(yīng)脈沖峰值功率為10kW.873 廠表貼TVS 管SY194A 按測試等級3 波形4 進(jìn)行脈沖峰值功率計(jì)算，計(jì)算得到Zs=Voc/Isc=Ω，P=IP·Vc=596.78W,Ip=(Voc-Vc)/Zs=57.94A .873 廠表貼TVS 管SY194A 需承受脈沖峰值功率為596.78W。通過計(jì)算得出選用TVS 管最大脈沖峰值功率大于雷電實(shí)驗(yàn)注入功率，（G）SY194A 留有7.4 倍余量，可滿足雷電防護(hù)設(shè)計(jì)余量要求。數(shù)據(jù)總線接口插針實(shí)驗(yàn)波形3Vc=13.6V,Ip=9.2A,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與方案設(shè)計(jì)值相符。離散輸入/輸入接口插針實(shí)驗(yàn)波形3Vc=86.8A,Ip=18.4A,波形3 實(shí)測Vc 超出TVS 鉗位電壓，多出部分在后端器件耐壓范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文研究設(shè)計(jì)方法在某型任務(wù)管理計(jì)算機(jī)E3M 模塊中應(yīng)用，雷電實(shí)驗(yàn)中設(shè)備性能穩(wěn)定性，達(dá)到系統(tǒng)雷電防護(hù)要求。提出針對機(jī)載電子設(shè)備電源及離散接口雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方法，雷電防護(hù)電路隨產(chǎn)品通過鑒定試驗(yàn)考核。根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)E3M 模塊具有良好信號瞬態(tài)抑制、鋁箔及抖動處理，可提高其抗電磁干擾及HIRF 防護(hù)能力。文中提出雷電能量計(jì)算方法適用于機(jī)載電子設(shè)備其他類型接口雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。