航空机载电子设备雷电间接效应防护设计及验证

于文刚 李云丰 毕筱曼

摘   要：随着航空技术的发展，一些普遍采用的复合材料技术以及微计算机、微电子技术对雷电环境变化的敏感程度大大提高，这对现代航空技术的发展提出了更高的要求。本文首先通过分析目前航空技术面临的挑战，对航空机载电子间接设备的雷电防护原理和常用器件进行了描述;其次，详细介绍了电压箝位型瞬态抑制二极管（TVS）的原理和功能，并对雷电间接效应防护设计进行试验，论述了对航空电子设备的具体防护措施;最后，通过试验证明：本文给出的航空机载电子设备雷电防护措施的效果非常明显，可以将其运用于同类电子产品电路的防护。

关键词：雷电防护设计  TVS  雷电间接效应

中图分类号：TN409                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0001-03

据统计，全国各地大约每天会发生数万次的雷电现象，各种各样的飞机都无法避免的会遇到危险的雷电天气，这种自然现象会对飞行器的安全构成严重的威胁，其产生的危害是难以估量的，会造成处于飞行过程中的飞行器发生雷电效应。我国飞机技术的发展非常迅速，这也带来了一些问题，使得我国对机载设备的雷电防护有了更严格的要求，因此也就有了这样一项规定：我国的航空产品在确认交付使用之前，都要进行严密的雷电防护测试。基于此，本文针对机载电子设备在雷电天气会产生的雷电间接效应设计了防护电路，并针对模拟量及ARINC429信号电路提出了具体可行的防护手段，最终，经过严谨的试验过程，证明了这些防护措施能够对电子设备的雷电防护起到非常有益的效果，值得推行。

1  雷电防护原理及常用器件

1.1 雷电防护原理

由于飞行器不能将大量的能量释放到地面，那么均衡的原理就发挥了作用，这就需要在飞行器的内部建立起一定的等电位差，而其中运用的均衡原理是必须要由电位补偿系统来实现的。电位补偿系统是利用有效的接地系统、金属导线以及等电位连接器来实现的，在非常短的时间之内，该电位补偿系统能够在所要保护的系统所处的区域内建立等电位差，这个等电位差也就是通常所说的“箝位电压值”[1]，它涉及该区域内一切的导电装置。

1.2 雷电防护常用器件

气体放电管、压敏电阻、TVS、TSS这些元器件都是目前较为常用的雷电效应防护装置，而且共同点在于，它们的原理都是将输入的瞬态电压进行箱位或关断，利用这种手段来保护电路，本文在这里重点介绍了TVS，也就是电压箝位瞬态抑制二极管。

TVS是一种在电子设备中普遍使用的二极管，对电路保护具有非常好的效果，它能够在亚纳秒级的时间内对信号做出响应，而且还具有极高的浪涌吸收能力。TVS的原理是：在限定的条件下，当TVS的两端施加某一种瞬时的、高能量的过压脉冲时，为了吸收一个瞬间的大电流、把两端的电压控制在预先设定的数字上，它能快速的将其阻压值降的很低，因此才能够很好地保护其后的电路元件不受冲击，而响应时间最快可以达到皮秒级。此外，TVS的非线性特性远远强于压敏电阻，它能够用于保护精密的电子线路，有单、双向之分。当然，TVS也是有缺点的，它的缺点在于额定电流小，适合应用于严格控制箝位电压的精细电路中，當它的功能失效时，原因多半在于短路，当电流太大时，可能会发生因TVS破裂而导致的开路[2]。

2  雷电间接效应防护设计

2.1 雷电间接效应

雷电间接效应是用来验证电子设备对一组瞬间状态的试验信号的耐受能力的高低的，分为插针注入试验、电缆束试验两部分。插针注入试验采用直接验证的方式，验证设备本身对瞬态电压电流信号的耐受能力，通常情况下，插针注入试验是在每个插针和设备外壳之间释放瞬态信号，用来估测绝缘体对电压的耐受能力或者是被测设备接口电路能够承受的破坏程度。而与插针注入试验不同，电缆束试验则主要是用于评价设备的失效性容差[3]。

2.2 雷电间接效应防护设计

从进行试验的机载设备中选取典型信号，来检验雷电间接效应防护设计的效果，并考虑电路中接入TVS后原电路表现出的变化。

（1）通常情况下，模拟量信号是比较微弱的，外界的干扰对其电压信号影响较大，如果使用串行压敏电阻，则会对模拟量信号的采集产生影响，所以不能采用在回路中串行入电阻来降低IPP值的方式来得到雷电防护的效果，只能选取大功率的TVS。TVS的漏电流不高，处于微安级，所以对保护线路的影响不大。如图1所示，传感器在AD620的输入端口接入了1号和2号引线信号，要求它的供电电压为±2.3V±18V，而实际上，它的供电电压是±15V，并且采用的是直流的信号形式，所以才会选用单向的TVS，在选择TVS器件方面，本电路的保护AD620器件重点考虑。

①在电压要求方面，规定AD620的正常工作电压VRWM必须要高于使用器件时能达到的最大反向工作电压。考虑到余量设计，试验时规定VRWM=10V，通常情况下，最小V，最大V，而最大箝位电压Vc（max）不应大于AD620的最大允许电压，即V，小于最大电压值18V。

②在功率方面，要求试验中所选择器件的额定最大脉冲功率必须要比电路中出现的最大瞬态浪涌功率大。如下给出了TVS器件所需承受的最大瞬态浪涌功率值，A;kW。

③TVS选取SMDJ10CA型号，它涉及的参数为：V，V，V，当脉冲时间为10/1000μs时，它所能够承受的IPP为176.5A。（IPP为最大反向脉冲峰值电流）。

根据试验的相关要求，如果脉冲时间达到69μs时，脉冲峰值功率必须要抑制在50%。从SMDJ10CA TVS规定的脉冲峰值功率与脉冲时间的关系能够得知：当脉冲时间为1ms时，相应的脉冲峰值功率能达到3kV;而当脉冲时间为0.1ms时，其对应的脉冲峰值功率却只能达到8kV;但是到脉冲时间为0.01μs（即10μs）时，脉冲峰值功率为11kV左右;然而，当器件的脉冲时间在69μs时，它的脉冲峰值功率为28kV。由此可知，虽然试验规定器件的脉冲峰值功率必须要在1ms之内，但在既短又窄的高速脉冲环境下，此TVS的吸收能力却更加强大。如果考虑到器件的降额情况，那么我们会发现。

在75℃时，SMDJ10CA TVS的脉冲峰值功率降额值是60%，即28km×0.6=16.8km，由此可以得知，该器件能够满足试验的相关要求。

（2）当信号频率在1吉赫以下时，就不再考虑其他防护器件，应该直接选择TVS。由于TVS自身具有一定的容值，因此它能够削弱某些高频率的信号所产生的峰值，这就会导致其对信号自身的完整性产生一定的影响，因此，在选取TVS要考虑的因素是：所选择的TVS的内部必须要包含整流二极管，而且必须是低容值的TVS，除此之外，电路中也要配合串入压敏电阻进行防护。

在速度很高的ARINC 429信号的A线或B线中，它们在单个输出线上的输出电压为+5V、0V、+5V，AB线上差分输出为±10V，需要将两个方向相反的TVS并行接入到A线和B线到地线之间。如图2所示，选用1KSMB6.8CA TVS，它的箝位电压为VC=10.5V，因此，TVS实际承受的IPP为

IPP=57.9A

理论上峰值功率为

PPP=607.95W

如果将电阻接入在TVS前面的端口，那么TVS实际上承受的IPP值就会比理论上小很多。例如，串入30Ω电阻，则IPP值为

IPP=8.27A

峰值功率为

W

很多情况下，理论数据与实际数据是有一些误差的。那么我们在确定实际的TVS峰值功率PPP时，就可以适当的考虑利用信号源自身的内阻或者是在线路中接入几个电阻的所产生的影响，以此来达到降低峰值功率PPP的目的。

图3是1KSMB6.8CA TVS自身的容值CPP与其偏置电压的关系，从下面的图片中能够得出这样一个结论：当防护器件的最大反向电压VWM达到6V时，那么这一器件所对应的容值就能够达到2000pf，这一结论表明该试验能够应用于实践当中。

2.3 试验结论

对上述设计防护电路进行雷电间接效应试验，通过试验结果可以得出如下结论：在防护电路中，TVS能够很好发挥抑制瞬态电压信号产生的影响的作用，能够实现预期的效果，达到实验目的。

3  结语

本文通过对航空机载电子设备的典型信号进行深入研究，详细介绍了TVS这一器件在防护雷电间接效应试验设计中的重要作用，并通过试验验证了此防护设计能够对机载电子设备的防护产生十分有效的影响，对航空机载电子设备的保护做出了巨大贡献，且已经投入到实际的应用中，能够对日后科技发展过程中的同类型产品的电路防护提供思路。

參考文献

[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.

[3] RTCA. D0-160E，机载设备环境条件和试验方法[S].美国，2004.