机载通信设备的雷电防护设计分析

2020-06-15吴冬林

数字通信世界 2020年5期

胡冰，黄辉，吴冬林

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210000）

0 引言

现代飞机设计中，为了尽可能的减少机身重量提高结构强度，逐渐大量采用复合材料代替金属材料，然而也大大的降低了机体对外部电磁环境的屏蔽效能，机载通信设备如果不能进行有效的雷电防护设计，一旦遭受雷击，极易损坏造成功能丧失，甚至可能引发飞机灾难性后果。因此，研究分析机载通信设备的雷电防护设计具有重要的现实意义。

1 机载通信设备雷电防护设计的基本原则

飞机在飞行过程中，雷电附着在飞机表面，产生回击放电时，雷电电流的高电流变化率的瞬态过程产生强雷电脉冲电磁场，通过电磁耦合，部分雷电能量传导或辐射进入机舱内的设备电缆上，由此引起的过电压或过电流将导致机载设备正常功能的干扰或损坏。

在设计时应充分考虑电压和电流瞬态波形对设备的影响，进行了雷电防护设计。现阶段，雷电防护电路设计主要遵循以下基本原则：

（1）对外接口电路设置防护器件，防护器件的额定反向关断电压VWM 应大于或等于接口电路的最大工作电压。

（2）防护器件的最大钳位电压VC 应小于接口电路的损坏电压。

（3）防护器件的最大峰值脉冲功率PM 应大于接口电路内可能出现的峰值脉冲功率。

（4）防护器件不能影响对外接口信号的电气性能。

2 机载通信设备雷电防护设计

2.1 对外电源端口的雷电防护设计

为了防止雷电间接效应对产品内部电路和模块造成损坏，设备的对外连接器需要进行防雷设计。在普通连接器的基础上，每个插针与壳体之间并联一个瞬态电压抑制器件TVS 管，当雷电感应产生过电压时，通过TVS 管击穿保护，对壳体泄放浪涌电流，同时限制输出电压幅值（箝位电压），保证被保护电路的安全。TVS 管雷电防护原理见图1。

在设备雷电防护设计中，需要根据雷电防护的具体要求选择合适的TVS 管。以常见的D0-160G 为例，要求设备能够防护600 V 开路电压（Voc）和24 A 短路电流（Isc）的冲击，本方案进行28 V 直流电源接口雷电防护设计，选取合适的TVS 管。

图1 TVS管雷电防护原理图

图2 电压/电流波形

根据开路电压和短路电流，可以计算瞬时电压的源阻抗Zs：

电源接口承受安全电压50 V，因此，考虑钳位电压Vc≤50 V，以50 V 为典型值计算，TVS 所需的脉冲峰值电流Ipp 为：

因此，为满足图2中电压/电流波形，TVS 管需耐受不小于22 A 的脉冲峰值电流。

2.2 对外射频端口的雷电防护设计

射频端口的雷电防护不宜直接使用TVS 管和压敏电阻等器件，因为这类保护器件自身存在着寄生电容，在射频信号电路中寄生电容将会破坏信号传输时的阻抗匹配，使正常传输信号发生畸变失真。为了减小保护器件自身的寄生电容，应采用气体放电管，因为气体放电管的的寄生电容很小，泄放电流大。但气体放电管的箝位电压比较高，难以直接对射频信号电路中的电子元器件提供可靠保护。因此可采用气体放电管、TVS 管的两级防护设计，如图2所示。

图3 射频端口防雷电路

该设计后级保护电路采用快速恢复二极管和TVS 管的组合电路，可以有效降低单个TVS 管的寄生电容，防止影响射频信号质量。当设备遭受雷击时，具有极快响应速度的TVS 管最先动作，将电压箝位到一定水平，由于TVS 管通流量较小，其前级需要加电感对浪涌电流加以限制，当雷电流的持续时间达到气体放电管的响应时间后，气体放电管开始动作，将雷电流泄放。