航空电子产品高频信号接口间接雷电防护设计

2018-05-30太原航空仪表有限公司

电子世界 2018年9期

太原航空仪表有限公司赵岩

1 引言

随着航空电子设备的大规模应用，电磁环境效应对飞行安全的影响也日益凸显，其中雷电防护概念也越来越明确，雷电防护的要求也在飞机设计的初期就作为一个重要因素进行考虑。电子航空设备的发展也朝着综合化、模块化、通用化和智能化趋势发展，随着时钟和系统的速度不断加快，高频信号的信号完整性问题也日益突出，而高频信号在间接雷电防护方面具有特殊要求，本文讲述了针对高速信号，如何实现间接雷电防护。

2 总体设计

雷电是一种雷云对带不同电荷的物体进行放电的一种自然现象，雷电的危害一般分为两种类型，一是直接作用，主要表现为热效应和机械效应；二是间接作用，主要表现为静电感应和电磁感应。作为处于飞机内部航空电子设备主要考虑雷电间接作用的影响。本文主要探讨的是具有高频数据传输的航空电子设备实现间接雷电防护设计。

间接雷电防护的目标为：确保飞机遭受雷击时，电子设备不会出现故障、永久性的损坏或有害的瞬态误动作；不能够造成威胁到飞机和机上人员安全的影响。

间接雷电防护设计基本要求为：

（1）将设备的接口信号进行分类，确定保护电路的工作电流、电压和最高耐压；

（2）确定雷电等级，计算出瞬态功率，选择合适的雷电防护器件；

（3）提供合理的泄放渠道；

（4）雷电防护电路不能影响设备的正常工作；

（5）尽量选取具有电磁屏蔽的材料作为电子设备的机体外壳；

（6）尽量在电缆选择上，选择带防波套的电缆，并设计有效接地。

而电子设备的高频信号，在增加防雷电路后，极易受到干扰，造成信号的失真，影响设备的正常工作，这就要去高频信号在雷电防护时，应充分考虑信号的完整性。

3 电路设计

区别于传统雷电防护电路，进行以下改动：

（1）由于进行雷电防护的电路为设备的高频信号线，高频信号对电路上阻抗的变化比较明显，而普通的防雷器件（TVS管）具有较大的电容，容易对高频信号的完整性造成影响。选用BOURNS公司的CDSOD323-T05C瞬态二极管（V1），该TVS管等效电容为3pF，广泛应用于便携式电话，平板电脑，数码相机和GPS等产品中，对高频信号影响较小。

（2）该TVS管的钳位电压VBR=6，脉冲峰值功率PPP=350w，典型电压电流（在10μS）为18.5V/17A，假设间接雷电防护要求为A3J3L3，插针注入试验电平为600V/24A和300V/60A，如果仅使用TVS管的话，会造成TVS管功率不够烧毁，所以在信号接口的输入端（间接雷电作用端）串联增加一个快恢复保险管（F1）。选用BOURNS公司的TBU-CA065-200-WH，在10ms内可以承受650V电压, 最低触发电流200mA,阻值8.6Ω。在电流超过触发值时，切断通路，保护后面器件，电流恢复正常后，恢复通路。

（3）可以根据信号特点，对电路中TVS管钳位电压和保险管触发电流进行选择。

4 试验验证

通过雷电间接效应试验，考虑到高频信号电缆基本采用屏蔽电缆，故下面针对插针注入进行说明，示波器采集到波形如下图所示。

图1 带保险管插针注入波形3

图2 传统插针注入波形3

图3 带保险管插针注入波形4

图4 传统插针注入波形4

如图1所示，由于TUB保险管会把电流截断，所以注入波形以注入电压满足600V为准，将通过电流峰值控制在1A左右（第一次瞬态峰值10.5A不作为计算），且大部分时间处于截断时间，对内部TVS管进行保护；如图2所示，传统TVS管电路，会对注入电压进行钳位，故注入波形以注入电流满足24A为准，将电压控制在25V（第一次瞬态峰值115V不作为计算）。

如图3所示，TBU管会把电流截断，所以注入波形以注入电压满足300V为准，电流峰值达到1A左右，保管截断电流，对内部电路进行保护；如图4所示，传统TVS管电路，会对注入电压进行钳位，故注入波形以注入电流满足60A为准，将电压峰值控制在32.4V，并降到正常钳位电压25V左右。

注意：（1）当内部电路有一定的防护能力时，可以仅用一个保险管作为间接雷电防护器件；（2）选型时，注意避免保险管截止电流与正常工作电流过于接近，引起工作异常。