机载电子设备雷电防护技术探讨

石海洋　韩强　何立军　俞大磊

摘要：雷电防护设计是机载电子设备设计的一项重要指标，该文针对机载电子设备雷电防护的要求，分别从接地，屏蔽，等电位联接，浪涌保护几个方面阐述了雷电防护措施，分析了雷电防护器件的选用，重点介绍了机载电子设备雷电防护的设计与验证方法。雷电防护是一个系统工程，需要多级防护来保证机载电子设备的安全。

关键词：机载电子设备；雷电防护；浪涌保护

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）29-0235-03

机载电子设备由于在空中执行任务的时间长、所处的地理位置高等特点，导致机载电子设备遭受雷电危害的概率大大增加。机载电子设备由于安装在设备舱内，一般不会遭受直击雷，大部分危害来自于感应雷。感应雷可在机载电子设备的电源线、信号线上感应出过电压、过电流，由于其瞬变时间极短，所以具有很强的破坏性。感应雷产生的感应电磁脉冲可干扰数据通信，甚至影响电子设备的性能、寿命或直接损毁，因此雷电防护设计已经成为机载电子设备设计的一个重要组成部分。

1雷电防护要求

雷电防护是新品研制的一项重要指标，应作出详细的计划与安排，必须根据自身的特点采取适当的防护措施，尽可能减少雷电对机载电子设备的危害。国外标准主要包括美国宇航工业推荐标准《SAE ARP5412飞机雷电环境和相关试验波形》、《sAE ARP5414飞机雷电分区》和《sAE ARP5416飞机雷电试验方法》等。国内军用飞机雷电防护要求《GJB2639-1996军用飞机雷电防护》，雷电防护鉴定试验标准包括《GJB3567-99军用飞机雷电防护鉴定试验方法》和《HB6129-87飞机雷电防护要求及试验方法》。

2雷电防护措施

雷電防护的目的是减少雷电对机载电子设备的损害，雷电防护的主要措施有以下几项。

2.1接地

接地是雷电防护的基础，它的目的是雷电流通过低阻抗接地系统向大地释放，从而保护电子设备和人员的安全。雷电的破坏作用主要是雷电流引起的，雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流。要想达到良好的防雷效果，接地电阻必须越小越好。良好的接地是防雷成功的重要保证之一。

2.2屏蔽

屏蔽的主要作用是减少电磁干扰。机载电子设备设计一个金属外壳，并且有效接地，使其发挥一定的屏蔽作用。同时将信号线、电源线采用屏蔽电缆或穿金属管屏蔽，同时需要沿线路多点接地。

2.3等电位联接

等电位联接就是将设备舱内各种电子设备搭接起来，让设备之间的电位相等或相近，从而消除或减少设备间电位差引起的破坏。

2.4浪涌保护

浪涌保护是雷电防护的最后一道防护墙，它主要是防止雷电波从信号线、电源线入侵造成各设备的损坏。在进入机载电子设备的信号线、电源线上加装相应的浪涌保护器，提供瞬间浪涌回路，将浪涌能量导人参考地，将线路上的电压箝制在安全范围内，从而起到保护机载电子设备的作用。

3雷电防护器件选用

为了避免雷电产生的浪涌电压损害电子设备，需要将浪涌电压控制在一定的范围内。浪涌器件工作的基本原理是，当它的两端经受瞬间的高能量冲击时能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击，从而使后级电子设备可靠工作。常用的浪涌器件有气体放电管、压敏电阻、TVS管等器件。根据不同的应用场景选用不同的浪涌器件及他们的组合电路，浪涌器件选用注意事项如下：

3.1响应时间

响应时间就是当过电压出现时，浪涌保护器件由高阻态变为导通状态，高峰值脉冲电流通过的时间一般称的响应时间。同样，当过电压消失时，保护元件应从低电阻导体迅速变为高阻值绝缘体。响应时间反映了电压保护元件对于快速脉冲的响应能力，在实际应用中只有响应时间小于线路过电压的上升时间，才可具有过电压抑制功能。同时对于高频信号，只有快速地恢复状态，才能保证线路信号的接收与传输的效率，所以高频信号需要选择响应时间短的器件。

3.2最小击穿电压

最小击穿电压是1mA电流流过浪涌保护器件时，相加在器件两端的电压值。为了保证电路在正常的工作范围内，最小击穿电压必须大于被保护电路的最大额定工作电压。

3.3最大箝位电压

峰值电流流过浪涌保护器件时，其两极的最大峰值电压为最大钳位电压。为了良好的保证被保护电路不受损害，选择的浪涌保护器件的最大限制电压，一定要小于电路的耐压水平。

3.4通流容量

通流容量是指在规定的条件下，允许通过的最大峰值电流值。在实际应用中，浪涌保护期间所吸收的浪涌电流应大于产品的最大通流量，所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量，从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些。

3.5使用寿命

浪涌保护器件的使用寿命是有限的，在一定峰值电流的浪涌电流冲击下，只能动作有限次，而且每次动作后，性能都会下降。所以，对于这些器件一定要查看厂家提供的相关的寿命曲线图，使器件有足够的峰值电流裕量，保证器件有足够多的动作次数。

4雷电防护设计

4.1接地设计

在机载电子设备的机箱外壳上设计接地点，安装接地端子，便于和飞机地连接。尽可能降低接地线的高频阻抗，选用宽厚、扁平的导线。机箱内部的零部件采用导电氧化处理，降低接触面的阻抗，提供一个低阻抗接地系统。

4.2屏蔽设计

采取电磁滤波、抑制辐射源、切断传播途径等措施，来提高设备的电磁屏蔽性能，减小电磁干扰。在机箱上安装了电源滤波器，电连接器进入机架后先通过滤波器进行滤波，提高了电磁兼容性能；在箱盖板与箱体间设计低电阻的导电密封材料进行密封，减少对内的电磁干扰及对外的电磁辐射；对于机箱上的风孔可以采用蜂窝状屏蔽网或者采用小孔阵列，既可以保证通风也可以屏蔽；采用带有滤波功能的航空连接器，切断传导途径。

4.3浪涌保护设计

在接口电路中增加浪涌保护电路。根据不同的信号类型，电平幅值，通信速率采用不同的浪涌保护器件或者组合电路，常用的方法是将浪涌器件和被保护信号并联，将器件放置在靠近信号人口的位置，保护后级电路在雷电环境下的安全。

5雷电防护验证

雷电防护措施的可靠性、有效性应通过试验来验证。国内军用飞机雷电防护试验方法、试验条件和过程执行主要参考《GJB3567-1999军用飞机雷电防护鉴定试验方法》，《HB6129-87飞机雷电防护要求及试验方法》进行。

5.1验证流程

雷电防护设计是一个不断验证改进的过程，基本的验证流程如图1所示。

5.2雷电试验

以某型核心处理机为例，在实验室条件下进行雷电间接效应模拟试验，根据系统要求确定试验方法、试验波形和电平参数，具体见表1～表4所示。

试验结论：核心处理平台在雷电试验的过程中功能正常、性能稳定，通过了雷电试验的考核，达到了系统雷电防护的要求。

6总结

雷电防护是一个系统工程，针对机载电子设备从接地，屏蔽，等电位联接，浪涌保护等多方面综合考虑，建立一个多层次防护体系，最大限度地减少雷电对机载电子设备造成的危害，来保障设备和人员的安全。