航空电子设备雷电间接效应防护设计及验证

李 明

(太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006)



航空电子设备雷电间接效应防护设计及验证

李 明

(太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006)

介绍了雷电防护原理及常用器件，重点介绍TVS原理及功能。结合雷电间接效应试验，详细介绍航空电子设备电路防护措施。通过试验验证防护措施效果良好，可用于同类产品电路防护设计。

雷电防护；TVS；雷电间接效应；插针注入；箝位电压

雷雨这种自然现象会造成飞行中的飞行器产生雷电效应，对于飞行器的安全构成危险。随着我国大型客机项目的开展，对每一个机载设备的雷电防护要求越来越严格，国家民航总局适航要求也明确规定，航空相关配套产品在交付之前，都必须通过相应雷电防护试验测试。本文设计的防护电路是针对机载电子设备雷电间接效应，详细阐述对模拟量及ARINC429信号电路防护措施，并通过试验验证防护措施效果良好。

1 雷电防护原理及常用器件

1.1 雷电防护原理

对于飞行器来说，不可能将巨大的能量泄放到大地只能通过均衡的原理在其内部建立等电位差，这里均衡原理是要由电位补偿系统来实现，电位补偿系统由可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线和等电位连接器组成，在瞬态现象存在的极短时间里，这个系统可以迅速地在被保护系统所处区域内所有导电部件之间建立起一个等电位差，这个电位差就是我们设计提出的箝位电压值[1]。

1.2 雷电防护常用器件

目前常用的防雷电效应的器件有：气体放电管、压敏电阻、电压箝位型瞬态抑制二极管(TVS)、电压开关型瞬态抑制二极管(TSS)，这些元器件的原理基本上是将输入的瞬态电压进行箝位或关断，以保护设备接口电路。这里重点介绍电压箝位型瞬态抑制二极管(TVS)。

TVS原理是在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗立即降至很低的导通值，并将电位箝位至预定水平。相应时间最快可达皮秒(ps)级，非线性特性比压敏电阻好，能够用于需要精密保护的电子线路中。有单向和双向两种类型，TVS不易老化，使用寿命长。它的缺点是额定电流小(10/1 000 us波峰值电流在几安至几百安之间)。适用于需要控制精密箝位电压的电子电路中。它的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成因TVS被炸裂而开路。图1所示TVS功能图和原理图[2]。

图1 TVS功能图与原理图

选取TVS器件主要考虑的参数包括：击穿电压V(BR)、最大反向脉冲峰值电流Ipp、最大反向工作电压VRWM、最大箝位电压Vc(max)、漏电流IR、电容Cpp和反向脉冲峰值功率PPR。

2 雷电间接效应防护设计

2.1 雷电间接效应

雷电间接效应是验证设备耐受一组经选择的瞬态试验信号的能力，它包括插针注入试验和电缆束试验两部分内容。插针注入试验是直接验证设备自身设计是否具有耐受瞬态电压电流信号的能力。通常是将选定的瞬态信号直接施加在每个插针和设备外壳地之间，主要用于评估绝缘体耐电压的能力或设备接口电路的破坏极限。试验选取电平级别为3，波形组A中的波形4(Voc=300V/Isc=60 A)对设备插针注入试验。其中试验波形4见图2[3]。

图2 电压波形4

2.2 雷电间接效应防护设计

从受试机载电子设备中选取典型信号验证雷电间接效应的防护设计，同时考虑TVS加入被保护电路后对原电路产生的影响：

1) 模拟量信号在航空电子设备里一般属于微弱信号，电压信号容易受到外界干扰。因此使用串行压敏电阻会影响采集的模拟量信号，所以在回路中不能串入电阻来降低Ipp值，只能选用大功率TVS来实现雷电防护功能。TVS的漏电流在微安级，不会对保护线路产生大的影响。如图3压力信号TVS保护电路所示压力传感器输入1号和2号引线信号加到AD620输入端，它的供电要求为±2.3 V～±18 V。实际供电电压为±15 V。信号形式为直流，所以选用单向TVS，针对本电路保护AD620器件在选择TVS器件时，主要考虑参数如下：

a) 器件使用时最大反向工作电压VRWM不低于AD620正常工作电压。考虑余量设计选取VRWM=10 V，通常VRWM=(0.8～0.9)V(BR)。最小V(BR)=11.1 V，最大V(BR)=12.5 V，最大箝位电压Vc(max)不应大于AD620的最大允许电压，即Vc(max)=1.3×12.5=16.25 V。小于最大电压值18 V。

b) 选取的额定最大脉冲功率应大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。TVS器件所承受最大瞬态浪涌功率值如下公式(1)，承受的电流Ipp=(Voc-Vc(max)/(Voc/Isc)=56.75 A。

PW=(Voc-Vc(max))2/(Voc/Isc)=

(300-16.25)2/(300/60)=16.1 kW.

(1)

图3 压力信号TVS保护电路

c) TVS选取美国Littlefuse公司型号为SMDJ10CA[4]，其参数Vc(max)=17 V，VRWM=10 V，V(BR)=12.3 V。在脉冲时间为10/1 000 us时能够承受的最大反向脉冲峰值电流IPP为176.5 A。

根据试验要求在脉冲时间69 us时脉冲峰值功率要抑制到50%(参照图2)。从型号SMDJ10CA的TVS提供脉冲峰值功率与脉冲时间的关系可知1 ms时脉冲峰值功率为3 kW，到0.1 ms时只有8 kW，但是到0.01 ms(即10 us)时可达到11 kW左右。器件在69 us时脉冲峰值功率为28 kW左右。因此尽管规定的是1 ms之内的脉冲峰值功率器件，但在短窄的高速脉冲下此TVS则有更大的吸收能力。考虑器件的降额情况，SMDJ10CA TVS在75 ℃时，脉冲峰值功率降额为60%，则在75 ℃时，脉冲峰值功率降额为28 kW×0.6=16.8 kW。器件满足试验要求。

2) 高频信号频率小于1 GHz，可以直接选择TVS来防护。TVS由于自身存在的容值，会对一些高频信号产生消弱峰值的作用，从而影响信号本身完整性。因此在选取TVS必须是内含整流二极管的低容值TVS，电路配合串入压敏电阻防护。

高速ARINC429信号A线或B线单根输出线上的输出电压为+5 V、0 V、-5 V。AB线上差分输出为±10 V。要在A线和B线至地线之间并接两个方向相反的TVS，图4是ARINC 429信号TVS保护电路。选取Littlefuse公司的型号为1KSMB6.8CA的TVS[4]。其箝位电压为Vc=10.5 V，因此实际TVS管承受的瞬态最大反向脉冲峰值电流Ipp为：(参照图2，考虑信号源的内阻值为5 Ω)

Ipp=(Voc-Vc)/Zs=(300-10.5)/5=57.9 A.

(2)

理论上峰值功率为：

Ppp=Vc×Ipp=10.5×57.9=607.95 W.

(3)

如果在TVS的前端串入电阻，实际TVS承受的Ipp值会更小，例如串入30 Ω电阻，则Ipp值为：

Ipp=(Voc-Vc)/(Zs+30)=(300-10.5)/(30+5)=8.27 A.

(4)

峰值功率为：

Ppp=Vc×Ipp=10.5×8.27=86.835 W.

(5)

在确定实际的TVS峰值功率Ppp时，可考虑信号源内阻和线路中串入电阻的影响，来降低峰值功率Ppp。

图4 ARINC 429信号TVS保护电路

1KSMB6.8CA TVS自身容值Cpp与偏置电压的关系图5所示。从图中看出最大反向电压VRWM为6 V时，对应的容值为2 000 pf。符合实际应用。

图5 TVS自身容值Cpp与偏置电压的关系

(注：Bi-directional为双极性TVS偏置电压，Uni-directional为单极性TVS偏置电压)

2.3 试验结论

对上面设计防护电路进行雷电间接效应插针注入试验，试验结果如图6所示。从图中结果可以看出，TVS在防护电路中很好的抑制住瞬态电压信号干扰，达到预期目标。

(a) ARINC429信号A线波形图

(b) 模拟量信号波形图

3 结论

本文以航空电子设备典型信号为例，介绍了利用TVS器件应对雷电间接效应的防护设计，并通过试验验证效果良好，已投入实际应用。这些设计是作者在实际应用的经验总结，希望对以后同类产品电路设计起到借鉴作用。

[1] 虞昊.现代防雷技术基础[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2] 陈穷.电磁兼容工程师设计手册[M].北京:国防工业出版社,1993:10.

[3] RTCA.DO-160E,机栽设备环境条件和试验方法[S].美国，2004.12.

[4] Littelfuse.PRODUCT CATALOG&DESIGN GUIDE[OL].www.Littelfuse.com,2008.

Protection and Certification of Aviation Electronic Equipment for the Indirect Effects of Lightning

Li Ming

(TaiyuanAero-Instruments.Co,.Ltd.,TaiyuanShanxi030006,China)

The lightning protection principle and devices commonly used are introduced in this paper.It also focuses on the TVS principle and function.Based on the experiment of lightning indirect effect,the paper introduces the avionics circuit protective measures in details.The test results show that the protective measures are effective,and can be used in the design of similar products circuit protection.

lightning protection; TVS; lightning indirect effects; pin injection; clamping Voltage

2016-06-30

李 明(1978-)，女，山西太原人，硕士研究生，主要从事机载电子设备数据采集及处理方面工作。

1674-4578(2016)05-0023-03

TN409

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