一種防雷電連接器設計

龍承毅

摘要：本文主要介紹軍用機載電子設備的雷電防護要求、TVS二極管的工作原理及主要參數，并根據用戶要求，從參數設計、結構設計兩方面對防雷連接器設計進行闡述，最終設計出滿足用戶要求的防雷電連接器。

關鍵詞： 雷電間接效應、雷電防護、瞬態電壓抑制二極管（TVS二極管）、連接器

引言

軍用飛機在飛行過程中，經常會遭受雷電襲擊，而雷電產生的的巨大電磁波能量會對機載電子設備產生影響，甚至損壞設備上的電子元器件，給飛行帶來安全隱患[1]，因此，通常情況下對機載設備均有雷電防護要求。連接器作為設備的接口部分，是最先或最易受到雷電影響的零部件，若在連接器上集成了雷電防護功能，不僅能有效保護設備內部電子元器件免受雷電損傷，還能將系統的防雷功能前移至接口部分，為系統設計預留出更大的空間，給系統設計帶來極大的便利。

本文介紹的防雷連接器是根據某用戶的需求而設計，用戶具體要求如下：

1）在常規JY27656E11B35PHN連接器基礎上改型，增加防雷功能，但接口尺寸不變;

2）連接器各孔位的工作電壓為±12VDC;

3）雷電間接效應考核試驗等級：A4;

4）最高工作溫度：85℃。

1 雷電防護要求

軍用機載電子設備雷電防護主要依據《GJB2639-1996 軍用飛機雷電防護》和《GJB3567-1999 軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》，可分為直接雷電防護和間接雷電防護。間接雷電防護試驗主要參考《RTCA/DO-160G 機載設備環境條件和試驗程序第22章 雷電感應瞬態敏感度》。

根據RTCA/DO-160G規定，間接雷電防護試驗主要考核損傷容限試驗，其方法是通過對被測電子設備接插件注入一定波形、一定電平等級的脈沖信號來驗證其損傷程度。該試驗由3種波形，5個等級組成（3種波形見圖1～圖3，5個等級見表1）。試驗波形類別有A、B兩種，當為類別A時，插針注入試驗波形為波形3、波形4，當為類別B時，插針注入試驗波形為波形3、波形5A。在實際應用中，將根據雷電防護等級選擇試驗波形類別及電平等級。[2]

2 TVS二極管防雷原理及主要參數

TVS二極管的防雷原理如圖4所示，當電路中承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，二極管能以極高的速度（ps級）使其阻抗驟然降至很低的導通值，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上[3]，從而確保后級的電路元件免受瞬態高能量的沖擊而損壞，達到保護其他電路元器件的目的。

對于本文所述用戶的防雷要求，可選用TVS二極管作為雷電防護器件來實現用戶的防雷要求。通過將TVS二極管并聯在連接器接觸件與連接器外殼之間使用，當有雷電產生的高能脈沖信號通過接觸件傳輸，電壓高于TVS二極管的擊穿電壓時，二極管的阻抗會驟然降低，從而將高能脈沖信號導入連接器外殼，而連接器外殼通過接地最終將脈沖信號泄放掉。

TVS二極管需要考慮的主要參數包括：

最大峰值脈沖功率PPPM：二極管能承受的最大峰值脈沖功率，即在10/1000μs波形下的測試功率PPPM=VC×IPPM;

最大峰值脈沖電流IPPM：二極管能承受的最大反向峰值脈沖電流;

最大箝位電壓VC：二極管流過IPPM時兩端的電壓;

最大反向工作電壓VWM：二極管維持關斷狀態（不工作）時的最大電壓;

結電容CJ：二極管P-N結之間的電容。通常是對信號傳輸電路進行雷電防護時需要考慮，防止結電容過大形成濾波電路，從而將工作信號濾掉。

3 參數設計

對于防雷連接器而言，如何選擇合適的TVS器件參數以滿足用戶防雷等級要求是設計的關鍵。本文用戶要求雷電防護等級為A4，代表試驗波形類別為A類，試驗等級為4級，根據RTCA/DO-160G的規定，插針注入試驗波形選用圖1、圖2的波形3、波形4，因波形3只是考核TVS二極管對一定頻率信號的耐受能力，參數設計時可按波形4進行計算。

由此可知，為滿足用戶A4的防雷等級要求，防雷連接器用的TVS二極管應能夠承受表1所示波形4、等級4的開路電壓Voc=750V和短路電流Isc=150A的沖擊而不出現失效。于是可先計算瞬時電壓時二極管自身的源電阻Zs：

根據用戶的要求可知，最大工作電壓為12VDC，為確保二極管不影響電路的正常工作，TVS二極管最大反向工作電壓VWM必須大于12VDC，即只有當電路兩端的電壓大于12VDC時，二極管開始工作。同時，在二極管工作后，為起到保護后級電路元器件的作用，要求二極管的箝位電壓VC又不能比12VDC高太多。本文選擇箝位電壓VC=19.9V的二極管作為雷電防護器件（Vc可以根據器件選型手冊查詢）。由此可計算出為能承受圖2所示的6.4/69μs電壓波形注入試驗而不失效，TVS二極管需能夠承受的脈沖峰值電流IPP如下：

通常情況下，TVS二極管的最大峰值脈沖電流IPPM是在圖5所示10/1000μs的試驗波形下測試而得，與圖2所示的6.4/69μs脈沖波形存在差異，為確定二極管的IPPM，需要將IPP換算成在10/1000μs波形下的值。根據兩種波形下功率相等可計算IPPM如下：

計算得IPPM=36.7A

至此，確定TVS二極管的參數為：

最大峰值脈沖功率PPPM=VC×IPPM=19.9V×36.7A=730.3W;

最大峰值脈沖電流IPPM=36.7A;

最大箝位電壓VC=19.9V;

最大反向工作電壓VWM>12VDC

結電容CJ：由于用戶傳輸的是12V的直流電，因此結電容大小對電路無影響，在此無需考慮。

此時確定的是二極管在常溫下（25℃）的工作參數，常溫下只要確保二極管的最大峰值脈沖功率大于730.3W即可滿足使用要求，但在選擇二極管時，還需要考慮高溫降額的影響，通常情況下85℃時的降額達到常溫（25℃）時的50%，因此要求二極管最大峰值脈沖功率大于1460.6W，為了確保一定的設計裕度，本文設計的產品選用最大峰值脈沖功率為3000W的二極管。

4 結構設計

4.1 外殼結構設計

確定了防雷參數，接下來就是進行連接器的結構設計，如何確保在有限空間內將二極管并聯在防雷接觸件與外殼之間將是結構設計的重點。用戶要求接口尺寸不變，因此保證連接器外殼對接端尺寸及安裝孔間距尺寸與JY27496E11B35PHN外殼的完全一致，同時保證型譜排列不變，只是將連接器法蘭以后的部分根據用戶的空間進行相應的擴展，保證有足夠的空間容納下TVS二極管，因此將連接器外殼設計為如圖6所示的結構。

4.2 防雷模塊結構設計

TVS二極管分為表貼式和軸式兩種，軸式為中間為二極管，兩端為焊接引腳，通過將引腳焊接在接觸件與外殼之間實現并聯，而表貼式則主要是將焊盤貼合焊接在印制板上的結構。由于軸式的二極管占用軸向空間較大，在現有空間上無法滿足要求，因此本文的防雷連接器將選用表貼式的二極管（如圖7所示）。

而對于如何將二極管并聯在接觸件和外殼之間，本文則采用印制板轉接結構。即先將TVS二極管焊接在印制板上，然后再將印制板通過焊孔與接觸件焊接在一起，保證接觸件與TVS二極管的一個焊盤（電極）連接，隨后，通過安裝螺釘將印制板可靠固定在連接器外殼內腔中，而印制板的安裝孔則與TVS的另一個焊盤（電極）連接，最終將二極管并聯在接觸件和外殼之間。

由于空間限制，將印制板設計成多層的異型結構，保證正反兩面均能焊接一定數量的TVS管，同時為了保證印制板與外殼連接可靠性，在印制板上設計了4個安裝孔，印制板結構如圖8所示。

4.3 總體結構設計

連接器總是在一定的環境中使用，因此，除了保證防雷功能以外，還需考慮防潮等潛在的功能需求。因此，在結構設計時，在尾端灌封一層環氧膠，一方面是用于固定接觸件，另一方面起到一定的防潮功能，同時，在尾端設計成封線體結構并在周圈灌封硅橡膠，保證接觸件與封線體過盈配合防潮氣侵入，而尾端則增加蓋板以保護內部TVS及印制板。最終產品的總體結構設計如圖9所示。

5 結語

本文根據相關防雷標準的要求，結合用戶實際防雷及其他方面的需求，通過正確計算選擇合理的TVS防雷二極管參數，同時合理設計防雷電連接器結構，成功設計出了防雷電連接器，經過送樣用戶測試，產品滿足用戶A4的防雷等級及安裝需求。該產品的設計開發，為防雷連接器的參數設計、結構設計具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 林凱.機載電子設備接口電路的雷電防護設計[J].測試工具與解決方案.2017.07.

[2] RTCA/D0-160G-2010.機械設備環境條件和試驗方法[S]. 2010.

[3] 李明.航空電子設備雷電間接效應防護設計及驗證[J].山西電子技術.2016.05.