关于某型大气机雷电防护的设计与分析

张 琴，赵津伟，田 勇，王 飞

（成都凯天电子股份有限公司，四川 成都，610091）

0 引言

大气机主要安装于飞机表面，实现所在位置处的压力采集及大气参数解算，雷击使飞机表面区域（尤其是天线或雷达附近区域）感受高能量瞬态电磁场，形成高能量电磁环境，通过电磁场耦合或阻性耦合对大气机造成直接破坏或通过电缆束耦合成为干扰信号使大气机功能紊乱，即雷电间接效应。为避免上述现象在机上的产生，保证雷电环境下大气机的正常工作，雷电间接效应的防护设计成为越来越关键和越来越迫切实现的指标。由于目前国内开展雷电试验的条件极为有限，而雷电试验的破坏性使试验开展难度提高，为避免试验失败带来的高成本，前期进行雷电防护设计时应开展充分的分析和验证损耗[1-8]。

1 指标要求

雷电间接效应试验包括电缆束试验及引脚注入试验，其中电缆束试验主要考核雷电环境下设备电缆束上各信号的抗干扰能力，用于评价瞬变脉冲施加到电缆束时设备功能的“失效性容差”；引脚注入试验主要考核设备单个引脚接口电路的防护能力，以评价设备的“破坏性容差”。由于引脚注入试验对于产品防雷设计实现的考核更为严苛，以下将主要围绕引脚注入试验展开分析。

根据飞机的顶层要求，安装在雷电影响区的大气机应按照RTCA/DO－160G 《机载设备环境条件和试验 方 法》（Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment）（第22 章） 规定开展雷电间接效应试验中的引脚注入试验。通过引脚注入试验来评估大气机接口电路的绝缘耐压或损坏性容差，保证雷电环境下大气机的机上使用。引脚注入试验要求如表1、表2 所示[9-11]。

表2 各试验波形条件

2 防护措施设计

对于雷电间接效应，主要防护器件包括气体放电管、压敏电阻、半导体放电管、瞬态抑制二极管等[12，13]。

对于防护能量等级较高的应用场景，采用多级组合防雷的方式。气体放电管等器件作为第一级防雷形成雷电能量的泄放通道，瞬态抑制二极管作为第二级防雷实现残压和浪涌的抑制，共模电感、电阻、电容可以共同组成第三级防护，将设备信号通路上的电流抑制在后端电路能够承受的范围内，以保护后端电路不因雷击损坏。

对于防护能量等级较低或内部防雷设计空间限制时的设备，可以直接通过选用合适的瞬态抑制二极管进行雷电防护设计。

瞬态抑制二极管（简称TVS 二极管）与常见的稳压二极管的工作原理基本一致，都是在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，二极管工作阻抗能迅速降低到较小的导通值，允许大电流通过，同时能够将通路电压箝制到预定水平，进而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。 TVS二极管能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间仅为lps（10-12s）。 当选用TVS 二极管进行雷电防护电路设计时，应满足以下要求[14，15]：

1） TVS 二极管的最高反向工作电压Vr 应大于等于被保护电路的最大工作电压；

2） TVS 二极管的最大箝位电压Vc 应小于被保护电路的损坏电压；

3） TVS 二极管的最大峰值脉冲功率PPR 必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率；

4） TVS 二极管可以串/并应用，并且可以用于增大功耗，串行连接分电压，并行连接分电流，对于雷电防护要求较高时，可选用两个满足要求的单极性TVS二极管组成双极性TVS 二极管进行防护；

5） TVS 二极管用于实现总线信号的防护电路时，应考虑极间电容对产品使用的影响。选用二极管雷电防护电路的电流承受能力越大，极间电容也越大，普通TVS 二极管未标明极间电容的具体数值，通常情况约50pF。

典型的脉冲持续时间tP为lms，当施加到TVS 二极管上的脉冲时间tP比标准脉冲时间短时，其脉冲峰值功率将随tP的缩短而增加，图1 给出了不同系列TVS 二极管PPR与tP的关系曲线。

图1 PPR 与tP 的关系曲线

IP—脉冲电流，单位为安培（A）；

ISC—短路电流，单位为安培（A）；

VOC—开路电压，单位为伏特（V）；

VC—箝位电压，单位为伏特（V）；

ZS—浪涌脉冲发生器电源阻抗，单位为欧姆（Ω）；

PPR—脉冲功率，单位为瓦特（W）。

3 实例分析说明

某型大气机需要实现B4 等级雷电防护，涉及信号包括DC28V、AC115V 及RS422 信号，各信号特性如表3 所示。

表3 大气机各信号特性

现基于B4 级试验要求进行详细设计说明。

根据表1、表2 的说明，B4 等级试验含波形（3/3）及波形5A/5A，如图2、图3 所示。

图2 波形3

图3 波形5

波形3/3 及5A/5A，分别对应1500V/60A 及750V/750A 的能量，计算各条件下可能产生的脉冲电流IP及脉冲功率PPR。由于瞬态抑制二极管手册主要标注为10μs/1000μs 条件下各参数指标，换算整机测试波形（RTCA/DO－160G）与TVS 器件手册中的IP及PPR测试波形转换系数如表4 所示。

表4 波形转换系数

1） 针对DC28V的防护

拟选用瞬态抑制二极管15KP28A 进行防护设计。该器件VC为47.5V，PPR为15000W（10μs/1000μs），IP为316A。

波形3/3（1MHz）条件下通过TVS 二极管的脉冲功率：

I=（1500-47.5）/（1500/60）=58.1A

P=47.5*58.1=2759.75W

波形5A/5A（40μs/120μs）条件下通过TVS 二极管的脉冲功率：

I=（750-47.5）/（750/750）=702.5A

P=47.5*702.5=33368.75W

根据波形转换系数，IP为736.28A，PPR为34950W@40μs/120μs。

因此，上述瞬态抑制二极管满足使用要求。

2） 针对AC115V 的防护

拟选用瞬态抑制二极管TWK3-170C 进行防护设计。该器件VC为260V，IP为3000A，PPR约780000w。

波形3/3（1MHz）条件下通过TVS 二极管的脉冲功率：

I=（1500-260）/（1500/60）=49.6A

P=260*49.6=12896W

波形5A/5A（40μs /120μs）条件下通过TVS 二极管的脉冲功率：

I=（750-260）/（750/750）=490A

P=260*490=127400W

因此，上述瞬态抑制二极管满足使用要求。

3） 针对RS422 的防护

拟选用瞬态抑制二极管5KP6.0AS 进行防护设计。该器件VC为10.3V，PPR为5000W（10μs/1000μs），IP为509A。

该RS-422 总线接口，传输速率9600bps，则极间电容需要小于500pF 才能满足总线信号的正常解析，经查，上述瞬态抑制二极管极间电容约50pF，可以满足该总线信号的工作需求。

波形3/3（1MHz）条件下通过TVS 二极管的脉冲功率：

I=（1500-10.3）/（1500/60）=59.6A

P=10.3*59.6=613.9W

波形5A/5A（40μs /120μs）条件下通过TVS 二极管的脉冲功率：

I=（750-10.3）/（750/750）=739.7A

P=10.3*739.7=7618.9W

根据波形转换系数，IP为1328.1A，PPR为11650W@40μs /120μs。

因此，上述瞬态抑制二极管满足使用要求。

通过以上TVS 二极管的选用理论分析，各二极管均能满足波形3/3 及5A/5A 试验条件的相关要求，同时上述条件下大气机能够通过试验考核且满足使用需求， 进一步确定了通过瞬态抑制二极管实现B4等级雷电间接防护的合理性。

4 结语

针对大气机常用的信号线，包括各电源信号及总线信号，利用瞬态抑制二极管实现B4 等级间接雷电防护，能够通过试验验证考核，充分验证了上述TVS二极管参数选择的正确性。基于瞬态抑制二极管实现的雷电间接防护设计有效保证了大气机在雷电试验环境下的正常使用，后续将持续围绕机上使用及多次雷击条件下的性能保证开展深入分析研究。