机载电子设备雷电防护计算及器件选型

2020-12-28曹加勇

通信电源技术 2020年17期

曹加勇，王威，蒋华

（成都新欣神风电子科技有限公司，四川成都 611731）

0 引言

近年来，国内民用和军用航空市场发展速度较快，针对机载电子设备的雷电防护试验是适航安全性范畴必须通过的项目。因此，机载电子设备的雷电防护设计越来越引起设计人员的重视[1]。机载电子设备雷电防护试验，又称为雷电感应瞬态敏感度试验。国内机载电子设备雷电防护要求的主要依据为GJB2639—1996《军用飞机雷电防护》，鉴定试验标准主要参考GJB3567A—1999《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》和HB6129—1987《飞机雷电防护要求及试验方法》。

机载电子设备大都安装在设备舱内，一般不会遭受直击雷，故大部分危害来自于感应雷。据统计，机载电子设备的损坏，80%都是由感应雷引起的。因此，目前大部分机载电子设备均对感应雷提出了雷电防护要求[2]。在此简单介绍雷电防护要求，并提出了设计的计算方法和器件选型方法，为雷电防护设计提供参考。

1 雷电防护要求

目前，国内间接雷电防护试验主要依据RTCA/DO-160G—2010《Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment》中第22章《雷电感应瞬态敏感度》的要求开展。按照要求，雷击试验包含插脚注入试验和电缆束试验。其中，插脚注入测试主要用来评估损坏，并直接将瞬变波形插入测试设备的接口电路和外壳之间。这种方法用来评定设备接口电路的绝缘耐压和损坏性容差。而电缆束试验是一种通过电缆感应或对地注入施加瞬态信号的试验技术。该技术用来确认航空设备能够承受外部雷电环境产生的内部电磁影响而不引起功能失效或部件损坏。可以看出，相比电缆束试验，插脚注入试验的破坏性更强。如果设备自身的绝缘耐压不够或设备不能承受该类试验的电压电流瞬变，则必须外加相应的雷电防护电路，吸收或转移相应的雷击能量。本文只描述插脚注入试验要求,并介绍其防护措施。

1.1 插脚注入试验波形类别选择

插脚式注入试验要求如表1所示。

表1 插脚注入试验要求

插脚注入试验共有3种波形，每种波形包括5个等级共15种组合波形。插脚试验试验电平如表2所示。VOC表示波形信号发生器开路电压，ISC表示波形信号发生器短路电流，信号发生器的内阻ZS=VOC/ISC。根据设备安装的飞机机身材质选择插脚注入波形组的类别，金属材质机身内部安装的设备适用波形组A，复合材质机身内部安装设备适用波形组B。插脚试验电压/电流波形3如图1所示，插脚试验电压波形4/电流波形1如图2所示，插脚试验电压/电流波形5A如图3所示。

表2 插脚试验试验电平

图1 插脚试验电压/电流波形3

图2 插脚试验电压波形4/电流波形1

图3 插脚试验电压/电流波形5A

1.2 插脚注入试验电平等级选择

根据设备和电缆安装位置的预期暴露程度选择试验电平等级。飞机内部安装在适度暴露环境中机载电子设备的试验电平等级为3级。常见的雷电试验类别为A3、J3以及L3。其中，A3表示插脚试验波形为A，插脚试验电平为3级。J3表示电缆束试验波形为J，电缆束试验电平为3级。L3表示电缆束多脉冲群试验波形为L，电缆束多脉冲群试验电平为3级。依据RTCA/DO-160G的规定，电压/电流波形3的频率应该在1.0 MHz。分析实际波形和开短路电压电流，插脚试验电压波形4/电流波形1对电路的破坏力最强，是防雷电路的主要设计依据。

2 雷电防护电路设计

雷电防护电路的作用是保障设备在雷电防护试验过程中或在实际雷电环境使用时，不会出现损坏或者功能性失效。雷电防护电路必须具有以下特性。即设备在正常环境中工作时该电路不动作，且损耗要低，而在雷电环境中工作时需要能够快速响应。该电路在雷电环境工作时，应能吸收足够多的雷电能量，有效保护后级电路，而且设计余量应充足。此外，还需注意雷电防护电路引入的寄生参数不能影响设备的正常工作。

2.1 雷电防护常用器件

常用的雷电防护器件有气体放电管、压敏电阻以及瞬态电压抑制器等。气体放电管是利用内部惰性气体在浪涌电压出现时被电离而进入短路状态的特性保护后级设备，免遭浪涌电压的破坏和干扰。其可承受电流大，寄生电容小，但响应时间长，起弧电压高，因此常用于一级防护。压敏电阻利用其两端电压超过额定值后电阻值急剧下降的特点，钳两位端电压进而吸收浪涌电压能量，具有峰值电流承受能力大的优点。但其寄生电容和残压比较大。瞬态电压抑制器又称TVS管，当其两端受到瞬态高压冲击时，能以ns级速度将两端间的高阻抗变为极低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，并使两端电压钳位在预定值,可有效保护后级电路，免受各种浪涌电压破坏，而且具有响应速度快、漏电流小以及寄生电容小等优点[3-4]。目前，单颗TVS管吸收的浪涌功率最大可高达30 kW。这3种器件各有优缺点，应根据不同的雷电防护等级和需要保护的后级电路特点进行选择。对于机载电子设备，要求雷电防护产品体积小且响应快，因此目前大部分选用TVS管进行雷电防护。

2.2 TVS选型

TVS的选择应该遵循如下步骤。首先，确定后级待保护电路工作电压的最大值。其次，TVS的额定反向截止电压Vr必须大于或者等于后级待保护电路的最高电压，TVS的最大钳位电压VC应低于后级待保护电路所承受的最高电压，TVS的最大峰值脉冲功率PPP必须大于待保护电路可能出现的峰值脉冲功率。最后，对于电平有正有负的信号线，必须使用双向TVS管，同时要注意TVS管的极间寄生电容不能影响通信速率。此外，TVS管选型时必须同时参考峰值脉冲功率的时间特性、温度特性以及器件的降额设计。

以28 V机载电子设备3级雷电防护设计为例。由于该系统中直流电源线和信号线的额定工作电压均为28 V，最高电压为50 V。因此对于该系统中28 V直流电源线和信号线，均可选择型号为SMDJ54CA的双向TVS管进行雷电防护。SMDJ54CA双向TVS的电气特性如表3所示。

表3 SMDJ54CA电气特性

2.3 TVS参数计算

当使用波形3时，开路电压为600 V，短路电流为24 A。此时：

式中，ZS为源阻抗；VOC为开路电压；ISC为短路电流。

TVS管所需的脉冲峰值电流为：

式中，VC为TVS管的最大钳位电压。

TVS管所承受的脉冲峰值功率为：

因此，为满足DO-160G中等级3和波形3的试验要求，选取的TVS管需耐受不小于20.52 A的脉冲峰值电流和不低于1 787 W的脉冲峰值功率。

当使用波形4时，开路电压为300 V，短路电流为60 A。此时：

TVS管所需的脉冲峰值电流为：

TVS管所承受的脉冲峰值功率为：

因此，为满足DO-160G中等级3和波形4的试验要求，选取的TVS管需耐受不小于42.58 A的脉冲峰值电流和不低于3 709 W的脉冲峰值功率。但通过查询所选TVS管SMDJ54CA的技术规格书可知，其最大峰值脉冲电流为34.4 A，最大峰值脉冲功率为3 000 W。仅从数值上看，其不能满足DO-160G中等级3和波形4的试验要求。

此外应注意的是，在TVS管选型时，TVS器件规格书中标注的IPP和PPP值是指通过标准脉冲波形时的泄放能力，tp为1 ms。当施加到TVS上的tp比标准脉冲短时，IPP和PPP值将显著增加。SMDJ54CA脉冲功率和脉冲时间的关系曲线如图4所示。在通过tp为120 μs脉冲波形时，该TVP可承受的最大功率约为8 kW，最大电流约为91.8 A，满足波形4的防护要求。

图4 TVS脉冲峰值功率与脉冲时间关系图

2.4 特殊信号线的雷电防护

对于大部分电源线和信号线的雷电防护设计均可以参照上述器件计算和选型原则进行。但是对于某些特殊信号线的雷电防护设计需要改变方法，如5 V或3.3 V电平的信号线。受限于TVS管的制作工艺，TVS的最大反向工作电压不能做的太低。目前，TVS管中最大反向电压最低为5.0 V，其钳位电压约为9.6 V。对于5.0 V或者3.3 V电平信号线来说，雷电防护时钳位电压太高，可能会损坏后级电路。低电平信号线雷电防护电路如图5所示。