TVS管在间接雷电防护接口电路设计中的复查方法

2020-03-04刘国美王永国王影婕

数字通信世界 2020年2期

刘国美，王永国，禹勇，董凯，王影婕

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安 710068）

0 引言

雷电现象是指雷云之间或雷云与地之间猛烈的放电过程，在猛烈的放电过程中，会产生高达数百千安的雷电流，同时伴随强烈的闪光和声响。雷电流具有持续时间短、瞬间功率大的特点。另外，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、寿命或甚至损毁，因此国内军用机载电子设备也增加了雷电防护要求[1，2]。在进行雷电防护设计时，通常使用压敏电阻和瞬态电压抑制二极管（TVS），本文将重点叙述主要介绍TVS管在间接雷电防护接口电路设计复查方法，提升机载电子设备的可靠性。

1 TVS管性能选择复查

1.1 复查TVS管性能是否符合要求

根据被保护设备，路线中可能出现的过电压极性，确定使用单极性TVS管还是双极性TVS管。同时，应该注意以下两点：

（1）TVS管反向工作电压V_RWM是否高于被保护电路的最大直流或连续工作电压。确定被保护电路的最大直流或连续工作电压V_RWM，TVS管的反向工作电压V_RWM应高于被保护电路的最大直流或连续工作电压，以防止在系统正常运行时TVS管漏电流过大，导致电路发热以及产生干扰。

（2）TVS管的最大峰值脉冲功率是否符合要求。TVS管的最大峰值脉冲功率P_W必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。例如：雷电防护等级3，插针试验波形4和波形5，TVS管击穿电压在10V～28V选择TVS管功率等级不应低于3000W。TVS管击穿电压5V～10V选择TVS管功率等级不应低于1500W。击穿电压28V以上根据同电压TVS管功率应选择5000W以上。（注意：以上TVS管功率应为10/1000uS冲击波形下测试）。

1.2 复查TVS管击穿电压是否高于浪涌电压

是否存在正常工作状态下出现较高电压浪涌的情况。例如：外部输入28V/开路信号，由于28V是由外部引入，并不了解该28V是否经过浪涌抑制或滤波措施，依据28V不同的供电特性标准要求，可能存在80V/60V/50V/47V等不等的浪涌电压，因此TVS管的选型必须考虑击穿电压应高于浪涌电压，否则当遇到电压浪涌时，TVS管将无法吸收过高的能量而烧毁或导致印制板断线。

应该特别注意TVS管可以用于对雷电间接效应或电源尖峰等瞬态高电压的防护；但不能用于对浪涌电压等持续时间较长干扰的防护，浪涌电压发生时TVS管应处于截止状态。

2 TVS管雷电防护的印制板走线复查

2.1 复查印制板走线方式

检查从连接器到印制板焊接的TVS管的走线是否满足链式走线，杜绝分支走线。正确走线方式如图1所示，图1中感应雷电从机箱连接器输入端进入后，TVS管将承受一个高能量的瞬时电压/电流脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，将大电流导通到地，并将电压箝制到预定水平，从而保护电子线路中的元器件免受损坏。错误的走线方式如图2所示，TVS管被加在了防护板上并未直接与被保护线路相连，当感应雷电从信号输入端进入后电流迅速增大最终导致印制板被烧断。

图1 正确的走线方式

2.2 复查印制板走线宽度

检查从输入端到印制板焊接的TVS管的走线是否存在过细的情况（图3标红部分），根据接口电路要求的防雷等级选择合适的线径，防止因瞬时电流过大引起的印制板烧毁。根据GB/T 4588.3-02，图4为35μm和70μm两种导线厚度所允许的短路电流和持续时间关系，可以根据防雷要求等级选择相应的厚度和线宽。根据实践经验，接口电路间接雷电设计要求，印制板厚度为35μm厚度的情况下，等级三波形四线径不小于15mil，等级三波形五不小于30mil。