機載電子設(shè)備雷電防護計算及器件選型

2020-12-28 10:12:44曹加勇

通信電源技術(shù) 2020年17期

曹加勇，王威，蔣華

（成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，四川成都 611731）

0 引言

近年來，國內(nèi)民用和軍用航空市場發(fā)展速度較快，針對機載電子設(shè)備的雷電防護試驗是適航安全性范疇必須通過的項目。因此，機載電子設(shè)備的雷電防護設(shè)計越來越引起設(shè)計人員的重視[1]。機載電子設(shè)備雷電防護試驗，又稱為雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗。國內(nèi)機載電子設(shè)備雷電防護要求的主要依據(jù)為GJB2639—1996《軍用飛機雷電防護》，鑒定試驗標準主要參考GJB3567A—1999《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》和HB6129—1987《飛機雷電防護要求及試驗方法》。

機載電子設(shè)備大都安裝在設(shè)備艙內(nèi)，一般不會遭受直擊雷，故大部分危害來自于感應(yīng)雷。據(jù)統(tǒng)計，機載電子設(shè)備的損壞，80%都是由感應(yīng)雷引起的。因此，目前大部分機載電子設(shè)備均對感應(yīng)雷提出了雷電防護要求[2]。在此簡單介紹雷電防護要求，并提出了設(shè)計的計算方法和器件選型方法，為雷電防護設(shè)計提供參考。

1 雷電防護要求

目前，國內(nèi)間接雷電防護試驗主要依據(jù)RTCA/DO-160G—2010《Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment》中第22章《雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度》的要求開展。按照要求，雷擊試驗包含插腳注入試驗和電纜束試驗。其中，插腳注入測試主要用來評估損壞，并直接將瞬變波形插入測試設(shè)備的接口電路和外殼之間。這種方法用來評定設(shè)備接口電路的絕緣耐壓和損壞性容差。而電纜束試驗是一種通過電纜感應(yīng)或?qū)Φ刈⑷胧┘铀矐B(tài)信號的試驗技術(shù)。該技術(shù)用來確認航空設(shè)備能夠承受外部雷電環(huán)境產(chǎn)生的內(nèi)部電磁影響而不引起功能失效或部件損壞。可以看出，相比電纜束試驗，插腳注入試驗的破壞性更強。如果設(shè)備自身的絕緣耐壓不夠或設(shè)備不能承受該類試驗的電壓電流瞬變，則必須外加相應(yīng)的雷電防護電路，吸收或轉(zhuǎn)移相應(yīng)的雷擊能量。本文只描述插腳注入試驗要求,并介紹其防護措施。

1.1 插腳注入試驗波形類別選擇

插腳式注入試驗要求如表1所示。

表1 插腳注入試驗要求

插腳注入試驗共有3種波形，每種波形包括5個等級共15種組合波形。插腳試驗試驗電平如表2所示。VOC表示波形信號發(fā)生器開路電壓，ISC表示波形信號發(fā)生器短路電流，信號發(fā)生器的內(nèi)阻ZS=VOC/ISC。根據(jù)設(shè)備安裝的飛機機身材質(zhì)選擇插腳注入波形組的類別，金屬材質(zhì)機身內(nèi)部安裝的設(shè)備適用波形組A，復(fù)合材質(zhì)機身內(nèi)部安裝設(shè)備適用波形組B。插腳試驗電壓/電流波形3如圖1所示，插腳試驗電壓波形4/電流波形1如圖2所示，插腳試驗電壓/電流波形5A如圖3所示。

表2 插腳試驗試驗電平

圖1 插腳試驗電壓/電流波形3

圖2 插腳試驗電壓波形4/電流波形1

圖3 插腳試驗電壓/電流波形5A

1.2 插腳注入試驗電平等級選擇

根據(jù)設(shè)備和電纜安裝位置的預(yù)期暴露程度選擇試驗電平等級。飛機內(nèi)部安裝在適度暴露環(huán)境中機載電子設(shè)備的試驗電平等級為3級。常見的雷電試驗類別為A3、J3以及L3。其中，A3表示插腳試驗波形為A，插腳試驗電平為3級。J3表示電纜束試驗波形為J，電纜束試驗電平為3級。L3表示電纜束多脈沖群試驗波形為L，電纜束多脈沖群試驗電平為3級。依據(jù)RTCA/DO-160G的規(guī)定，電壓/電流波形3的頻率應(yīng)該在1.0 MHz。分析實際波形和開短路電壓電流，插腳試驗電壓波形4/電流波形1對電路的破壞力最強，是防雷電路的主要設(shè)計依據(jù)。

2 雷電防護電路設(shè)計

雷電防護電路的作用是保障設(shè)備在雷電防護試驗過程中或在實際雷電環(huán)境使用時，不會出現(xiàn)損壞或者功能性失效。雷電防護電路必須具有以下特性。即設(shè)備在正常環(huán)境中工作時該電路不動作，且損耗要低，而在雷電環(huán)境中工作時需要能夠快速響應(yīng)。該電路在雷電環(huán)境工作時，應(yīng)能吸收足夠多的雷電能量，有效保護后級電路，而且設(shè)計余量應(yīng)充足。此外，還需注意雷電防護電路引入的寄生參數(shù)不能影響設(shè)備的正常工作。

2.1 雷電防護常用器件

常用的雷電防護器件有氣體放電管、壓敏電阻以及瞬態(tài)電壓抑制器等。氣體放電管是利用內(nèi)部惰性氣體在浪涌電壓出現(xiàn)時被電離而進入短路狀態(tài)的特性保護后級設(shè)備，免遭浪涌電壓的破壞和干擾。其可承受電流大，寄生電容小，但響應(yīng)時間長，起弧電壓高，因此常用于一級防護。壓敏電阻利用其兩端電壓超過額定值后電阻值急劇下降的特點，鉗兩位端電壓進而吸收浪涌電壓能量，具有峰值電流承受能力大的優(yōu)點。但其寄生電容和殘壓比較大。瞬態(tài)電壓抑制器又稱TVS管，當(dāng)其兩端受到瞬態(tài)高壓沖擊時，能以ns級速度將兩端間的高阻抗變?yōu)闃O低阻抗，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，并使兩端電壓鉗位在預(yù)定值,可有效保護后級電路，免受各種浪涌電壓破壞，而且具有響應(yīng)速度快、漏電流小以及寄生電容小等優(yōu)點[3-4]。目前，單顆TVS管吸收的浪涌功率最大可高達30 kW。這3種器件各有優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)不同的雷電防護等級和需要保護的后級電路特點進行選擇。對于機載電子設(shè)備，要求雷電防護產(chǎn)品體積小且響應(yīng)快，因此目前大部分選用TVS管進行雷電防護。

2.2 TVS選型

TVS的選擇應(yīng)該遵循如下步驟。首先，確定后級待保護電路工作電壓的最大值。其次，TVS的額定反向截止電壓Vr必須大于或者等于后級待保護電路的最高電壓，TVS的最大鉗位電壓VC應(yīng)低于后級待保護電路所承受的最高電壓，TVS的最大峰值脈沖功率PPP必須大于待保護電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。最后，對于電平有正有負的信號線，必須使用雙向TVS管，同時要注意TVS管的極間寄生電容不能影響通信速率。此外，TVS管選型時必須同時參考峰值脈沖功率的時間特性、溫度特性以及器件的降額設(shè)計。

以28 V機載電子設(shè)備3級雷電防護設(shè)計為例。由于該系統(tǒng)中直流電源線和信號線的額定工作電壓均為28 V，最高電壓為50 V。因此對于該系統(tǒng)中28 V直流電源線和信號線，均可選擇型號為SMDJ54CA的雙向TVS管進行雷電防護。SMDJ54CA雙向TVS的電氣特性如表3所示。

表3 SMDJ54CA電氣特性

2.3 TVS參數(shù)計算

當(dāng)使用波形3時，開路電壓為600 V，短路電流為24 A。此時：

式中，ZS為源阻抗；VOC為開路電壓；ISC為短路電流。

TVS管所需的脈沖峰值電流為：

式中，VC為TVS管的最大鉗位電壓。

TVS管所承受的脈沖峰值功率為：

因此，為滿足DO-160G中等級3和波形3的試驗要求，選取的TVS管需耐受不小于20.52 A的脈沖峰值電流和不低于1 787 W的脈沖峰值功率。

當(dāng)使用波形4時，開路電壓為300 V，短路電流為60 A。此時：

TVS管所需的脈沖峰值電流為：

TVS管所承受的脈沖峰值功率為：

因此，為滿足DO-160G中等級3和波形4的試驗要求，選取的TVS管需耐受不小于42.58 A的脈沖峰值電流和不低于3 709 W的脈沖峰值功率。但通過查詢所選TVS管SMDJ54CA的技術(shù)規(guī)格書可知，其最大峰值脈沖電流為34.4 A，最大峰值脈沖功率為3 000 W。僅從數(shù)值上看，其不能滿足DO-160G中等級3和波形4的試驗要求。

此外應(yīng)注意的是，在TVS管選型時，TVS器件規(guī)格書中標注的IPP和PPP值是指通過標準脈沖波形時的泄放能力，tp為1 ms。當(dāng)施加到TVS上的tp比標準脈沖短時，IPP和PPP值將顯著增加。SMDJ54CA脈沖功率和脈沖時間的關(guān)系曲線如圖4所示。在通過tp為120 μs脈沖波形時，該TVP可承受的最大功率約為8 kW，最大電流約為91.8 A，滿足波形4的防護要求。

圖4 TVS脈沖峰值功率與脈沖時間關(guān)系圖

2.4 特殊信號線的雷電防護

對于大部分電源線和信號線的雷電防護設(shè)計均可以參照上述器件計算和選型原則進行。但是對于某些特殊信號線的雷電防護設(shè)計需要改變方法，如5 V或3.3 V電平的信號線。受限于TVS管的制作工藝，TVS的最大反向工作電壓不能做的太低。目前，TVS管中最大反向電壓最低為5.0 V，其鉗位電壓約為9.6 V。對于5.0 V或者3.3 V電平信號線來說，雷電防護時鉗位電壓太高，可能會損壞后級電路。低電平信號線雷電防護電路如圖5所示。