關于某型大氣機雷電防護的設計與分析

張 琴，趙津偉，田 勇，王 飛

（成都凱天電子股份有限公司，四川 成都，610091）

0 引言

大氣機主要安裝于飛機表面，實現所在位置處的壓力采集及大氣參數解算，雷擊使飛機表面區域（尤其是天線或雷達附近區域）感受高能量瞬態電磁場，形成高能量電磁環境，通過電磁場耦合或阻性耦合對大氣機造成直接破壞或通過電纜束耦合成為干擾信號使大氣機功能紊亂，即雷電間接效應。為避免上述現象在機上的產生，保證雷電環境下大氣機的正常工作，雷電間接效應的防護設計成為越來越關鍵和越來越迫切實現的指標。由于目前國內開展雷電試驗的條件極為有限，而雷電試驗的破壞性使試驗開展難度提高，為避免試驗失敗帶來的高成本，前期進行雷電防護設計時應開展充分的分析和驗證損耗[1-8]。

1 指標要求

雷電間接效應試驗包括電纜束試驗及引腳注入試驗，其中電纜束試驗主要考核雷電環境下設備電纜束上各信號的抗干擾能力，用于評價瞬變脈沖施加到電纜束時設備功能的“失效性容差”；引腳注入試驗主要考核設備單個引腳接口電路的防護能力，以評價設備的“破壞性容差”。由于引腳注入試驗對于產品防雷設計實現的考核更為嚴苛，以下將主要圍繞引腳注入試驗展開分析。

根據飛機的頂層要求，安裝在雷電影響區的大氣機應按照RTCA/DO－160G 《機載設備環境條件和試驗 方 法》（Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment）（第22 章） 規定開展雷電間接效應試驗中的引腳注入試驗。通過引腳注入試驗來評估大氣機接口電路的絕緣耐壓或損壞性容差，保證雷電環境下大氣機的機上使用。引腳注入試驗要求如表1、表2 所示[9-11]。

表2 各試驗波形條件

2 防護措施設計

對于雷電間接效應，主要防護器件包括氣體放電管、壓敏電阻、半導體放電管、瞬態抑制二極管等[12，13]。

對于防護能量等級較高的應用場景，采用多級組合防雷的方式。氣體放電管等器件作為第一級防雷形成雷電能量的泄放通道，瞬態抑制二極管作為第二級防雷實現殘壓和浪涌的抑制，共模電感、電阻、電容可以共同組成第三級防護，將設備信號通路上的電流抑制在后端電路能夠承受的范圍內，以保護后端電路不因雷擊損壞。

對于防護能量等級較低或內部防雷設計空間限制時的設備，可以直接通過選用合適的瞬態抑制二極管進行雷電防護設計。

瞬態抑制二極管（簡稱TVS 二極管）與常見的穩壓二極管的工作原理基本一致，都是在規定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，二極管工作阻抗能迅速降低到較小的導通值，允許大電流通過，同時能夠將通路電壓箝制到預定水平，進而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。 TVS二極管能承受的瞬時脈沖功率可達上千瓦，其箝位響應時間僅為lps（10-12s）。 當選用TVS 二極管進行雷電防護電路設計時，應滿足以下要求[14，15]：

1） TVS 二極管的最高反向工作電壓Vr 應大于等于被保護電路的最大工作電壓；

2） TVS 二極管的最大箝位電壓Vc 應小于被保護電路的損壞電壓；

3） TVS 二極管的最大峰值脈沖功率PPR 必須大于被保護電路內可能出現的峰值脈沖功率；

4） TVS 二極管可以串/并應用，并且可以用于增大功耗，串行連接分電壓，并行連接分電流，對于雷電防護要求較高時，可選用兩個滿足要求的單極性TVS二極管組成雙極性TVS 二極管進行防護；

5） TVS 二極管用于實現總線信號的防護電路時，應考慮極間電容對產品使用的影響。選用二極管雷電防護電路的電流承受能力越大，極間電容也越大，普通TVS 二極管未標明極間電容的具體數值，通常情況約50pF。

典型的脈沖持續時間tP為lms，當施加到TVS 二極管上的脈沖時間tP比標準脈沖時間短時，其脈沖峰值功率將隨tP的縮短而增加，圖1 給出了不同系列TVS 二極管PPR與tP的關系曲線。

圖1 PPR 與tP 的關系曲線

IP—脈沖電流，單位為安培（A）；

ISC—短路電流，單位為安培（A）；

VOC—開路電壓，單位為伏特（V）；

VC—箝位電壓，單位為伏特（V）；

ZS—浪涌脈沖發生器電源阻抗，單位為歐姆（Ω）；

PPR—脈沖功率，單位為瓦特（W）。

3 實例分析說明

某型大氣機需要實現B4 等級雷電防護，涉及信號包括DC28V、AC115V 及RS422 信號，各信號特性如表3 所示。

表3 大氣機各信號特性

現基于B4 級試驗要求進行詳細設計說明。

根據表1、表2 的說明，B4 等級試驗含波形（3/3）及波形5A/5A，如圖2、圖3 所示。

圖2 波形3

圖3 波形5

波形3/3 及5A/5A，分別對應1500V/60A 及750V/750A 的能量，計算各條件下可能產生的脈沖電流IP及脈沖功率PPR。由于瞬態抑制二極管手冊主要標注為10μs/1000μs 條件下各參數指標，換算整機測試波形（RTCA/DO－160G）與TVS 器件手冊中的IP及PPR測試波形轉換系數如表4 所示。

表4 波形轉換系數

1） 針對DC28V的防護

擬選用瞬態抑制二極管15KP28A 進行防護設計。該器件VC為47.5V，PPR為15000W（10μs/1000μs），IP為316A。

波形3/3（1MHz）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（1500-47.5）/（1500/60）=58.1A

P=47.5*58.1=2759.75W

波形5A/5A（40μs/120μs）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（750-47.5）/（750/750）=702.5A

P=47.5*702.5=33368.75W

根據波形轉換系數，IP為736.28A，PPR為34950W@40μs/120μs。

因此，上述瞬態抑制二極管滿足使用要求。

2） 針對AC115V 的防護

擬選用瞬態抑制二極管TWK3-170C 進行防護設計。該器件VC為260V，IP為3000A，PPR約780000w。

波形3/3（1MHz）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（1500-260）/（1500/60）=49.6A

P=260*49.6=12896W

波形5A/5A（40μs /120μs）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（750-260）/（750/750）=490A

P=260*490=127400W

因此，上述瞬態抑制二極管滿足使用要求。

3） 針對RS422 的防護

擬選用瞬態抑制二極管5KP6.0AS 進行防護設計。該器件VC為10.3V，PPR為5000W（10μs/1000μs），IP為509A。

該RS-422 總線接口，傳輸速率9600bps，則極間電容需要小于500pF 才能滿足總線信號的正常解析，經查，上述瞬態抑制二極管極間電容約50pF，可以滿足該總線信號的工作需求。

波形3/3（1MHz）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（1500-10.3）/（1500/60）=59.6A

P=10.3*59.6=613.9W

波形5A/5A（40μs /120μs）條件下通過TVS 二極管的脈沖功率：

I=（750-10.3）/（750/750）=739.7A

P=10.3*739.7=7618.9W

根據波形轉換系數，IP為1328.1A，PPR為11650W@40μs /120μs。

因此，上述瞬態抑制二極管滿足使用要求。

通過以上TVS 二極管的選用理論分析，各二極管均能滿足波形3/3 及5A/5A 試驗條件的相關要求，同時上述條件下大氣機能夠通過試驗考核且滿足使用需求， 進一步確定了通過瞬態抑制二極管實現B4等級雷電間接防護的合理性。

4 結語

針對大氣機常用的信號線，包括各電源信號及總線信號，利用瞬態抑制二極管實現B4 等級間接雷電防護，能夠通過試驗驗證考核，充分驗證了上述TVS二極管參數選擇的正確性。基于瞬態抑制二極管實現的雷電間接防護設計有效保證了大氣機在雷電試驗環境下的正常使用，后續將持續圍繞機上使用及多次雷擊條件下的性能保證開展深入分析研究。