一種防雷擊浪涌硬件保護電路設計與實現

揚州市職業大學 陳麗麗 張兆東

蘇州長風航空電子有限公司 陳志強

揚州市職業大學 游名揚

雷電防護是航空飛行器飛行安全的重要保障，雷電防護設計必須滿足相關標準。本文基于機載電子設備雷電保護要求，提出了一種機載電子設備雷電防護方法，根據上述方法，設計了28V供電電源、15V離散量輸入信號、RS422等接口的雷電防護方案，已應用在某機載設備上，且通過了試驗考核。總結了雷電防護器件在設計選型時需要注意的事項，并為其他機載電子設備的雷電防護設計提供了參考。

隨著現代飛機的智能化發展，機載電子設備的數量與規模逐漸增大，其穩定可靠運行對于飛機的安全飛行至關重要。特殊情況下，飛機需在極端惡劣的天氣條件下飛行，遭受雷擊很容易。雷擊主要分為感應雷擊和直擊雷擊。通常直擊雷擊不會對機艙內的電子設備構成威脅。飛機遭遇感應雷時，劇烈的磁場變化，導致機載電子設備的線束上感應出極高的脈沖電壓，電壓峰值超過50kV。線束中的感應電壓脈沖產生極強的電磁干擾，容易導致數據傳輸出錯，甚至破壞電子元件，影響飛機的飛行安全。據相關資料顯示，每年遭受雷擊而損壞的機載電子設備80%以上是由感應雷導致的，因此，機載電子設備設計中雷電防護設計極為重要。

1 機載電子設備雷電防護設計

1.1 設計需求

現以某型機載終端產品項目為例，其中，相關的雷電防護的相關離散量等信號以及接口電路設計需求如表1所示。

表1 相關的雷電防護的信號設計需求

雷電保護的常用方法在電路中并聯能夠快速吸能元件，將電路的電壓鉗制在安全范圍內，保護電子元件免遭破壞。

瞬態二極管是一種高性能電路保護器件，簡稱TVS管，能夠在極短時間內抑制電路中出現的電壓波動，當其兩端受到高能脈沖沖擊時，阻抗迅速降低吸收大電流，反應時間極短（納秒級），從而將其兩端電壓鉗制在安全范圍，保護電子設備中的元件不被破壞。TVS管作為電子設備過電壓保護的首選器件，具備小漏電流，快反應速度，偏差較小的擊穿電壓等特征。圖1所示的是TVS管的電壓－電流特性曲線。其反向特性為典型的PN結雪崩特性，正向特性與普通二極管相同。圖2是TVS管的電壓-電流的時間特性曲線，從圖1中可以看到，當TVS官兩端的電壓上升到VBR時，PN結被擊穿，二極管反向導通，阻抗迅速降低，擊穿電流打到峰值IPP，此時，TVS兩端的電壓被鉗制在VC以下，隨后，擊穿電流逐漸衰減，TVS管兩端電壓恢復到初始狀態，上述過程即TVS管保護電子元件的過程。

圖1 TVS電壓-電流曲線

圖2 TVS電壓-電流時間特性

TVS管選用的方法為：

（1）首先確定電路中的穩定工作電壓和電子元件的損壞電壓，選用的TVS管的反向峰值電壓應大于等于穩定工作電壓，鉗制電壓低于損壞電壓。

（2）TVS管的峰值功率PW必須高于電路中可能出現的最大功率。

（3）TVS管的耐受電流必須大于反向擊穿電流峰值。

1.2 具體設計方案

所有的TVS管均為表貼器件，焊接在轉接板靠近連接器位置的印制板上。雷電防護電路設計采用了大功率雙向瞬態抑制二極管（TVS）來實現，雷電防護電路TVS型號清單如表2所示，其中電源雷電設計電路圖如圖3所示，相關離散量雷電保護設計電路圖如圖4所示。

表2 雷電防護電路TVS型號清單

圖3 電源雷電防護設計電路圖

圖4 離散量雷電防護設計電路圖

考慮到設備電源接口電路阻抗比較小，為避免其在受到感應雷擊時受到更為嚴重的沖擊，在電源接口電路中搭配較大容量且通流能力很強的防護器件。機載28V供電線路的雷電防護TVS選型為朝陽無線電的SMDJ51CA，其在常溫下峰值脈沖功耗散額定功率值為3000W，鉗位電壓為82.4V，經分析，此值小于項目中被保護電路的損壞電壓，峰值脈沖電流36.4A，大于瞬態浪涌電流。并且，上述所選用的TVS管的PW高于電路中可能出現的最大瞬時功率，因此滿足要求。

在離散量輸入接口保護電路中，考慮到離散量輸入接口特性：接地/常開或電源/常開（15V/常開），且機載15V離散量電流值波動不大，在方案選擇時，選擇TVS型號為SMDJ33CA，最大鉗位電壓53.3V，分析方法同電源保護電路。

2 工程實現與注意事項

2.1 工程實現

如何構建雷電感應能量最短泄放路徑，是雷電防護工程的關鍵，雷電防護功能電路必須前移至設備對外連接器最近處，如圖5所示為其工程實現，其中，工程化實現途徑包含：

雷電防護的關鍵是如何在最短時間內將雷電的感應能量釋放，因此保護電路模塊的位置必須靠近電子設備的接口處，如圖5所示，工程實施方法如下：

圖5 雷電防護設計工程實現圖

（1）雷電防護功能模塊：雷電防護功能模塊具有不同的電路接口，模塊設置在設備接口附近，模塊地與設備金屬外殼通過螺釘直接連接，能量釋放回路最短，可以有效保護電路。

（2）一體化電氣互聯：接口采用焊接型連接器，在防護模塊上直接焊接引腳，外部設備通過外殼底板上相連的柔板與機箱內部通信。

2.2 注意事項

對于布線方面需要注意：TVS管一般情況下介于保護電路與地線之間，跨線和布線容易產生寄生電感，如圖2所示，當TVS的電流達到峰值IPP后，電流迅速下降，在電路上產生反向電動勢，對設備電路元件產生負面影響，為減小負面影響，控制電路中的寄生電感系數L需要被減小，印制板布線需要滿足相關器件布線的要求。

限流電阻的使用：由于通信線路需要的電流值非常小，只需要幾到幾十毫安，因此，在通信線路中設置限流電阻可以降低電路防護成本。限流電阻阻值需要和通信電路的阻抗相匹配，以ARINC429為例，其內部阻抗為75Ω，限流電阻阻值比較合理值為36Ω。

當通信匹配阻抗前移至雷電防護功能模塊后，需注意以下兩點：

（1）總線接口芯片的選型：禁止使用內置阻抗匹配電阻的接口芯片，以ARINC429為例，應選型為HI-8586的接口芯片，而非具有內置37.5Ω匹配電阻值的HI-8585。

（2）限流電阻的選型：限流電阻在大電流沖擊下易發熱，繞線電阻的耐高溫性能優于金屬膜電阻，應當避免使用金屬膜電阻，盡量采用繞線電阻。

結論：本文針對機載電子設備常遭受雷電威脅，設計一種雷電防護電路的方法，將上述方法應用在某機載設備上，且通過了試驗考核。總結了在雷電防護器件設計選型時需要注意的事項，并為其他機載電子設備的雷電防護設計提供了參考。