机载电子设备雷电防护模块的实现和应用

徐达军

（武汉雷光防雷有限公司，湖北武汉，430074）

0 引言

机载电子设备很少遭受直击雷电，感应雷会在机载电子设备电源线上感应过电压，因其能量高具有很强破坏性，感应电磁脉冲影响电子设备性能，雷电防护设计成为机载电子设备需要考虑的重要部分。目前有关机载电子设备雷电防护研究较少，本文提出雷电防护设计方法，通过设计实现应用，具有较好工程设计参考价值。

1 机载电子设备雷电防护设计研究

雷电放电中产生强电磁场，干扰飞机飞行通信等，严重引起飞机失事引发空难。据近年来国内外民航运输飞机事故统计，飞机在雷暴区飞行造成失事占灾难性事故原因的1/6，飞机事故对乘客家庭造成伤害不可估量。如何提高机载电子电气系统对雷电效应防护能力成为重要课题[1]。研究雷击信号对机载电子设备的影响，设计机载电子设备防雷模块具有重要意义。目前科学家不能对雷电现象准确预测，飞机飞行中遭受雷击会在表面产生热效应，破坏飞机的物理结构，雷电信号可以耦合到飞机线缆，进入飞机电子设备内部干扰工作，需要对雷电对飞机影响分析研究，设计机载电子设备防雷模块，保证飞机飞行安全。

2 机载电子设备雷电防护要求

根据美航无线电技术委员会指定标准，针对感应雷电防护实验为闪电感应瞬变敏感度实验。E3M 模块为电子设备组成部分，E3M 实现ARINC600 后矩形连接器与信号联通，针对雷电防护要求，在E3M 模块上对相应接口信号进行防雷电设计。研究介绍MMC 中接口信号雷电防护设计[2]。MMC 中对信号防护设计要求DVI 视频信号频率高，防护性能较好，离散量输入信号通过在信号线与机壳间连接瞬态抑制二极管消除，直流28V 电源信号，在E3M 模块中不做处理。通过在信号差分对间连接瞬态抑制二极管消除。

雷电感应瞬态敏感度进行插针注入试验，评估设备耐压能力，电缆线束试验验证试品处于相应雷电下设备承受干扰情况，研究分析插针注入试验要求。插针式注入试验分为3 种波形各5 个等级，Voc 表示波形信号发生器开路电压，通过Voc/Isc 可计算信号发生器内阻Zs,金属材质机身内部安装设备适用波形阻A，复合材质机身内部安装设备适用波形阻B。机载设备预期暴露程度决定设备试验电平等级，通常设定为3 级。

3 机载电子设备防雷接口设计

雷电防护设计时使用压敏电阻抑制二极管，考虑TVS 防护器件使用性能优于压敏电阻，使用TVS 防护器件设计[3]。规定反向应用下，TVS 器件承受高能量瞬时电压时，工作阻抗能降低导通值，将电压箝制到预定水平。TVS 选型中选用TVS 器件PPP 大于TVS 器件承受最大瞬态浪涌功率，TVS 的PPP 取决于最大箝位电压Vcmax,与脉冲波形及环境温度有关，脉冲波形一定，PPP=K1×Vcmax×IPP，Vcmax 恒定，K1为功率系数时间因子。

E3M 模块主要功能是将整机输入输出信号进行防雷冲击保护，E3M 模块感应雷电防护原理为在信号与机壳间并联瞬态电压抑制器，使MMC 内部模块与外部接口交联。雷电防护方法是在电路上并联可吸收高能量浪涌器件，加工电路电压钳制在安全区域。瞬态电压抑制管为TVS 管，具备极短的反应时间，两端经受瞬间高能量冲击时，TVS 管可吸收瞬间大电流，使电子电路中的精密元器件避免浪涌脉冲破坏，具备击穿电压偏小等特征。TVS 管正向特征与普通二极管相同，浪涌电压下TVS 管两极电压由额定反向关断电压Vwm 上升到击穿电压Vbr，流过TVS 管电流达到峰值脉冲电流Ipp.伴随脉冲电流指数型衰减，TVS 管电压回复到原始状态，是保护电子元器件过程。典型TVS 器件声明PPP 值通过tp 为1000μs 标准脉冲波形泄放能力，施加TVS 的tp 比标准脉冲时间短，可查看器件脉冲功率与时间关系曲线，整理典型TVS 器件通过3种插针实验波形功率系数K1 值。

设备电源接口具有较低阻抗，在电源线路需要大容量通流能力防护器件。TVS 器件选型Microsemi 公司RT65KP48A，防护电路适用于RTCA/D0-160F 规定ABZ 类设备直流电压浪涌防护[4]。TVS 器件参数规格：钳位电压Vc=77.7V.峰值功率Ppp=65kW(6.4/69μs 波形）。TVS 适应波形3 的峰值通流能力3177A,满足防护与50%降额要求。TVS 波形5A 峰值偷溜能力702A，满足防护和50%降额要求。

表3 等效峰值功率、峰值电流计算

信号线路固有电阻抗较大，发射器输出电阻达75ohm,线路上阻抗匹配电削弱突发雷击浪涌电流，600W 到1500W 额定功率防护器件足够，TVS 管子选型SMBJ7.5CA。TVS 器件参数规格：钳位电压Vc=13V,峰值功率Ppp=600W(10/1000μs波形）。TVS 适应波形3 峰值通流能力525A，满足防护和50%降额要求。TVS 适应波形5A 峰值通流能力108A，满足防护和50%降额要求。

离散输入接口特性，电源/常开，TVS 器件选型SMCJ 40CA,峰值电流Ipp=24A.施加实验波形，器件通流Ip=(Voc-Vc)/Zs=（600-64.5）/25=21.4A,小于器件额定等效Ipp.离散输出接口特性接地/常开，TVS 器件选型SMCJ40CA。

4 机载防雷电子设备实现

雷电防护工程试验关键是构建感应能量最短泄放路径，雷电防护功能模块集成不同接口类型防护电路，模块雷电称量释放回路通过螺钉与设备金属机箱连接，有效保护设备对外接口电路。对外连接器采用长针焊接型连接器，防护模块与机箱底板相连。TVS 管子需要跨接在保护线路正线之间，管子导通释放能量，在线路上叠加反向电动势，对设备内部器件造成影响，需要减小线路寄生电感系数L。

E3M 模块防护依靠TVS 管，要根据防护信号分类结果选择适合TVS 管进行防护。对MMC 内部电路分析，HB6096 总线输入对地电压最大为5V，信号3 级防护选用873 厂表贴TVS管SY194A，击穿电压为6.67-7.37V，最大峰值电路291.3A。HB6096 信号处理采用信号线与机壳地连接瞬态抑制器。离散量信号处理采用信号线与机壳间连接瞬态抑制器，28V 开输入类信号击穿电压定为33V，反向截止电压为33V，钳位电压53.3V，最大峰值功率3000W(10/1000μs),地开输入信号最大工作电压取决于内部电路最大工作电压。3 级防护选用873 厂表贴TVS 管SY216A，击穿电压为36.7-40.6V,最大峰值电流56.3A。

数据通信线路限流电阻使用，降低TVS 防护功率要求。限流电阻阻值选取兼顾通信线路阻抗匹配，通信规范要求查分发动端阻抗为75ohm，单根线路使用36ohm 限流电阻。总线接口芯片选型避免选用内置阻抗匹配电阻接口芯片，ARINC429总线发送接口芯片应选型HI-8586.限流电阻需承受瞬态大电流，线绕电阻具有更好的耐热效应性能。波形3,4 插针注入试验按实验测试环境，给被试品插针注入10 个独立瞬态信号，施加瞬态信号时间间隔为10s(±1）。记录施加实验电平等级3 插针实验波形，波形3Vc=67.2V,Ip=16.8A.波形4 实测Vc 超出TVS 钳位电压，在后端器件耐压范围内起到防护设计作用。

参照SY 系列3KW 瞬态抑制二极管手册，测试波形4 中最大脉冲宽度69μs×1.2=82.8μs,求得对应脉冲峰值功率为10kW.873 厂表贴TVS 管SY194A 按测试等级3 波形4 进行脉冲峰值功率计算，计算得到Zs=Voc/Isc=Ω，P=IP·Vc=596.78W,Ip=(Voc-Vc)/Zs=57.94A .873 厂表贴TVS 管SY194A 需承受脉冲峰值功率为596.78W。通过计算得出选用TVS 管最大脉冲峰值功率大于雷电实验注入功率，（G）SY194A 留有7.4 倍余量，可满足雷电防护设计余量要求。数据总线接口插针实验波形3Vc=13.6V,Ip=9.2A,实验结果与方案设计值相符。离散输入/输入接口插针实验波形3Vc=86.8A,Ip=18.4A,波形3 实测Vc 超出TVS 钳位电压，多出部分在后端器件耐压范围内。

5 结语

本文研究设计方法在某型任务管理计算机E3M 模块中应用，雷电实验中设备性能稳定性，达到系统雷电防护要求。提出针对机载电子设备电源及离散接口雷电防护设计方法，雷电防护电路随产品通过鉴定试验考核。根据本文方法设计E3M 模块具有良好信号瞬态抑制、铝箔及抖动处理，可提高其抗电磁干扰及HIRF 防护能力。文中提出雷电能量计算方法适用于机载电子设备其他类型接口雷电防护设计。