一种降低装定信号干扰的雷电防护设计方法.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering135飞机在飞行过程中可能遭遇雷击，雷电效应会对飞机和机载设备的安全造成严重威胁，严重时会造成机毁人亡。雷电效应分为直接雷电效应和间接雷电效应。间接雷电效应会通过静电感应和电磁感应等方式耦合进入电子设备，造成设备失效、故障甚至烧毁。雷电防护已经成为机载电子设备必要的防护设计。装定器作为飞机内部的电子设备，也需要进行雷电防护相关设计。在装定器方案原理样机的实际测试过程中，装定器与引信之间的通信可靠性出现了下降，偶尔会出现装定失败的问题。经过分析对比，后加装的雷电防护电路造成了装定波形畸变，干扰增大，装定信号质量的下降的问题。本文通过对防护器件的数据分析，找到了质量下降的原因，并通过计算重新设计了防护电路，在保证装定信号质量的同时，也通过了相关雷电防护试验的考核。1 基础1.1 雷电防护要求装定器位于飞机内部，一般不会遭受直接雷击，因而装定器主要针对间接雷击进行防护设计。装定器间接雷电防护要求按RTCA/DO-160G 机载设备环境条件和试验程序中第 22 章（雷电感应瞬态敏感度）进行考核。根据规定，雷电感应瞬态敏感度试验主要分为两类。第一类为采用针脚注入的破坏性容差试验，第二类用于瞬态信号施加到互联电缆束时，设备功能失效性容差试验1。通过对两类试验对比，第一类是将雷电的瞬态能量直接注入针脚，破坏性大，是防护的重点及难点，因此本文主要讨论插针注入试验对装定器产品破坏性的保护问题。针脚注入试验由 3 种波形，5 个等级组成，RTCA/DO-160G 标准中给出了注入的波形和极限电平值。装定器的雷电防护指标为 A3，试验波形使用电压波形 3/电流波形 3 和电压波形 4/电流波形 1，电平试验等级选择等级 3。针脚注入试验要求的电压波形 3/电流波形 3 如图 1所示。针脚注入试验要求的电压波形 4/电流波形 1 如图 2所示。针脚注入试验信号发生器设置的电平见表 1。表 1：针脚注入试验信号发生器设置电平等级波形3/34/1VOC/ISCVOC/ISC3600/24300/601.2 装定器和装定信号装定器作为机载武器设备，主要任务是将火控系统的实时数据可靠、稳定、快速的传递给火箭弹中的引信。装定信号是装定器与火箭弹进行信息交联的通信编码，一种降低装定信号干扰的雷电防护设计方法沈波1贾瑾1柏舸1张峰2（1.中国兵器工业集团第二一二研究所 陕西省西安市 710000 2.西安工业大学 陕西省西安市 710000）摘要：本文介绍了一种机载电子设备装定器的雷电防护设计方法，该方法改进了原防护设计电路，大大降低了雷电防护电路的寄生电容效应，解决了防护电路对装定信号的干扰问题。该方法最终通过了雷电感应瞬态敏感度试验的试验考核，在保证装定信号质量，不降低通信可靠性的同时，有效防护了雷电间接效应对机载设备可能造成的危害。关键词：雷电防护；装定信号；TVS 管；半导体放电管图 1：针脚注入试验要求的电压/电流波形 3电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering136该编码一般使用异步串行数字编码，每一个上升沿进行一次时钟同步。如果来自外部干扰信号过大，超过一定的电压阈值，则引信接收端可能造成数据识别出错，数据校验无法通过，装定失败。1.3 雷电防护模块装定器设计了专用的雷电防护模块用于对间接雷电效应进行防护。模块安装在输入输出连接器的尾部，再通过矩形连接器和装定器内部的其他模块互联。当雷电瞬时高压进入连接器后，雷电防护模块中的过压保护器件动作，瞬间进入低阻导通，钳位高电压，将大部分能量以电流形式在设备入口端泄放到机壳，从而最大程度保护和它并联的装定器内部其他功能模块。2 主题2.1 TVS管雷电防护模块设计方案分析TVS 管是一种常用的过压保护器件，装定器原设计方案采用 TVS 管作为过压防护器件，具体型号为5.0SMDJ17A，构成 TVS 管雷电防护模块。当装定器加装 TVS 管雷电防护模块后，装定器和引信之间的通信出现了不可靠的现象，偶尔会出现通信失败的情况，而去掉模块后，装定通信恢复正常。这说明TVS管雷电防护模块对装定通信质量有一定的影响。用示波器采集，安装 TVS 管雷电防护模块前的装定信号下降沿波形如图 3 所示，装定线上的高电平为 8.5V，下降沿上的抖动最高幅度为 1.60V。安装 TVS 管雷电防护模块后的装定信号下降沿波形如图 4 所示，装定线上的高电平为 8.5V，下降沿上的抖动最高幅度为 3.2V。对比图 3 和图 4，加装 TVS 管雷电防护模块后，装定信号下降沿的抖动幅度明显增加，畸变严重，通过图 4 可以发现，下降沿上聚集了很多的能量无法被快速释放。当下降沿上的反向电压脉冲过高，超过负载端的识别门限值时，一个下降沿将可能被误识别为一个或者多个上升沿，导致负载端数字电路的同步时钟紊乱，校验出错，数据接收异常。为什么加装 TVS 管雷电防护模块会对装定信号波形产生影响呢？根据传输线原理，只要信号遇到瞬态阻抗突变，反射就会发生。通信线上的等效寄生电容会导致传输线阻抗的不连续，通过雷电抑制器的装定信号在这里会产生反射现象，带来振铃、上冲、下冲以及串扰等信号完整性问题，影响装定信号波形质量。经 过 查 阅 TVS 管 的 官 方 数 据 手 册，发 现5.0SMDJ17A 的结电容约为 1000pf。而根据 semtech 公司的 TVS 管应用笔记给提供的 TVS 管和信号频率的关系曲线，如图 5 所示，应用在通信速率为 100KBPS 的装定信号上时，TVS 管的等效结电容应小于 300pf 才能保证数据传输的可靠性。图 2：针脚注入试验要求的波形 4图 3：安装 TVS 管防雷抑制器前装定信号下降沿波形图 4：安装 TVS 管防雷抑制器后装定信号下降沿波形电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering137根据上述分析，当前选用的 TVS 管，其寄生电容约为1000pf，显然不合适。大功率TVS管的结电容太大，而小功率 TVS 管又无法满足功率需求，这个是 TVS 管固有特性决定的。因此，采用 TVS 管进行雷电防护的设计方案无法同时满足吸收功率和不影响装定信号质量的需求。TVS 管不适用装定通信传输信道的雷电防护。2.2 改进设计方案2.2.1 半导体放电管特防雷原理及主要参数半导体放电管是一种新型过压保护器件，它基于晶闸管工作原理制成，具有响应速度快、浪涌吸收能力强、通态电压低、多次吸收不降低性能等优点。使用时，半导体放电管一般与需要保护的电路并联，当浪涌电压小于转折电压时，半导体放电管处于高阻关断状态。当浪涌电压大于转折电压时，半导体放电管进入低阻导通状态，将雷电高能脉冲能量导入机壳地，从而保护后级电路不受损害。半导体放电管相对 TVS 管，其最大的特点是寄生电容非常小，更加适合在装定通信的通路使用。在雷电保护电路中应用半导体放电管时，需要结合实际电路和防护等级进行必要的计算，再根据结果进行选型。半导体放电管的主要参数如下：（1）VDRM&IDRM：关断电压与漏电流；（2）VS&IS：转折电压和转折电流；（3）VT&IT：通态电压和通态电流；（4）IPP：峰值脉冲电流；（5）CO：结电容。2.2.2 半导体放电管的参数设计2.2.2.1 雷电防护需求分析装定器要求的雷电防护等级为 RTCA/DO-160G 的A3 等级，即试验波形类别为 A 类，试验等级为 3 级。参考 RTCA/DO-160G 第 22 章的规定，插针注入试验波形选用图 1 的电压波形 3/电流波形 3、图 2 的电压波形4/电流波形 1。因电压波形 3/电流波形 3 的总功率小于电压波形 4/电流波形 1，且半导体放电管的恢复速度非常快，所以参数设计时主要按电压波形 4/电流波形 1 进行计算。根据 A3 等级针脚注入试验信号发生器设置电平的要求，见表 1，雷电防护模块用的半导体放电管应能够承受 VOC=300V 和短路电流 ISC=60A 的冲击。由此可以算出信号发生器的源阻抗 ZS=5 欧姆。2.2.2.2 半导体放电管 VDRM参数的选择装定信号的最大峰值电压为 15V，为确保半导体放电管在装定器正常工作时不会误动作，半导体放电管的关断电压 VDRM必须大于 15V。当电路两端的电压大于15V 时，半导体放电管才能开始工作，而小于 15V 时，半导体放电管必须处于截止状态。同时，为更好的起到保护后级电路元器件的作用，半导体放电管的 VT 通态电压不应比 15V 高出太多。2.2.2.3 半导体放电管 VS参数的选择装定器驱动电路能够承受的极限电压为 60V，因此半导体放电管的 VS电压必须小于 60V 才能保证装定器保护电路不会损坏。2.2.2.4 半导体放电管 IPP参数的计算 根据 A3 雷电防护等级的要求，半导体放电管在 6.4/69s 的测试波形下需能够承受的脉冲峰值电流图 5：TVS 管和信号频率关系曲线图 6：半导体放电管雷电防护电路工作原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering138IPPISC=60A。而 6.4/69s 的测试脉冲波形与元器件数据手册中给出的 1.2/50us 测试波形不同，需要进行换算。根据功率相等原则，可以通过波形面积相等进行近似换算。最终经过计算，半导体放电管在 6.4/69s 波形下的峰值脉冲电流 IPPISC=60A 相当于在 1.2/50us 波形下的峰值脉冲电流 IPP103A。2.2.2.5 半导体放电管的选型根据上述计算结果，结合半导体放电管元器件数据手册和装定器输出驱动电路的参数，初步选择 P0300TA的半导体放电管作为雷电保护器件。P0300TA 的具体参数如下：（1）P0300TA 的 VDRM等于 25V，大于装定信号的最大峰值电压为 15V。（2）P0300TA 的 VS等于 40V，小于 60V 的装定器驱动电路能够承受的极限电压；（3）P0300TA 的 VT等于 4V，完全导通后对电路的保护优于 TVS 管；（4）P0300TA 的 IPP等于 150A，大于指标换算后的 103A，并具有约 50%通流裕度；（5）P0300TA 的结电容为 15pf 70pf，远小于5.0SMDJ17A 的寄生电容 1000pf，对装定信号波形的影响很小。经过上述分析，型号为 P0300TA 的半导体放电管可以满足使用要求。2.2.3 基于半导体放电管的雷电防护模块设计装定器具有 19 路装定信号输出，每一路需要单独进行防护，防护原理相同，其中一路的工作原理如图 6所示。当 Vout 口出现雷电干扰信号 A 时，P1 半导体放电管瞬间导通，将干扰信号降低为一个低电压信号 B，从而保护装定器内部电路免受损伤。R1 有限流的作用，可以进一步降低进入装定器内部的干扰电流，或者和装定器内部电路形成分压，进一步降低干扰电压的幅值。R1 和 P1 联合使用可以增强防护电路的实际防护能力。另外，由于半导体放电管导通时的瞬间电流非常大，所以在 PCB 布线时应考虑走线宽度，保证足够的通流能力。根据相关资料，当铜皮厚度为 1 盎司时，外层走线宽度大于 15mil，可满足 6.4/69s 波形 4 和 60A 的瞬态通流能力。结合装定器实际可用的 PCB 板面积，装定器最终走线宽度为 15mil。根据上述计算，最终完成了装定器半导体放电管雷电防护电路的改进设计。3 验证3.1 改进设计后对装定信号质量的影响如图 7 所示，装定器使用半导体放电管雷电防护模块后，示波器采集到的装定信号下降沿上的干扰明显降低。当装定线上的高电平为 8.5V，下降沿上的抖动最高幅度为1.68V，和图3不安装雷电防护模块仅相差0.01V，两者水平基本相当。说明采用半导体放电管进行防护的方案对装定信号基本没有影响。使用半导体放电管雷电防护模块的装定器在 4h 的连续装定强度测试中，未出现装定不可靠的现象，装定误码率小于 1/104。说明改用半导体放电管雷电防护模块后，确实解决了 TVS 管雷电防护模块所带来的干扰问题。表 2：试验情况序号试验项目检测时机检测项目检测结果合格判据1插针注入试验试验前自检、装定、放电正常合格2试验后自检、装定、放电正常合格3电缆束试验试验前自检、装定、放电正常合格4试验中装定正常合格5试验后自检、装定、放电正常合格图 7：采用半导体放电管时装定信号下降沿波形电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1393.2 改进设计后的试验情况改进雷电防护电路后的装定器依据装定器雷电感应瞬态敏感度试验大纲进行了试验验证，试验情况如表 2，试验结果满足指标要求。4 结论本文通过试验与分析，找到了加装雷电防护模块影响装定信号质量的真正原因是由于雷电防护器件结电容过大使得装定信号波形发生畸变所致。针对该问题，本文给出了改用半导体放电管作为防护器件，减小装定信号干扰的方法，并根据该方法完成了半导体放电管的参数计算和防雷模块的改进设计。改进后的装定器满足了装定通信可靠性指标的要求，并通过了RTCA/DO-160G 机载设备环境条件和试验程序规定的雷电感应瞬态敏感度 A3 等级的试验考核。该方法为雷电防护参数设计，尤其是高速通信接口的雷电防护参数设计具有一定的参考意义。参考文献1 RTCA/DO-160G 机载设备环境条件和试验程序S.2010.12.08.2 杨涛,何文静.一种机载设备雷电防护设计与实现J.大众科技,2017,19(03):45-46.3 张峰,李杰.一种用于引信装定的自适应匹配信号与能量传输方法 J.探测与控制学报,2002(4):58-60.4 郑军奇.EMC 电磁兼容设计与测试案例分析 M.北京:电子工业出版社,2010.作者简介沈波（1977-），男，硕士学位，高级工程师。研究方向为装定器设计以及产品的复杂电磁环境适应性与防护技术。贾瑾（1978-），女，硕士学位，高级工程师。研究方向为引信技术以及产品可靠性设计。柏舸（1978-），男，硕士学位，高级工程师。研究方向为引信技术以及产品电磁兼容设计。张峰（1979-），男，硕士学位，教授、硕士生导师。研究方向为信号与信息处理、自动控制、现代通信技术。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”，而无线通信在其中占有举足轻重的地位1。无线通信指的是利用在自由空间中传播的电磁波而不通过导体或缆线的方式来传递消息，进行远距离传输通讯，实现信息交互的目的。大多无线通信技术都会用到无线电，包括距离近至数米的 Wi-Fi，也包括距离上百万公里的深空网络，但也有少数无线通信技术是使用诸如光、磁场、电场等电磁波无线技术。在所有的无线通信中，信息的传输主要发生在发射器（发送数据）和接收器（接收数据）的设备之间。无线网络中的任何节点都可互换地执行发射机和接收机的角色。根据发射器和接收器的种类，无线通信可以分为固定式、移动式和便携式应用。对于信号检测，总是希望尽可能准确的检测到信号，而信号检测的关键就是检测统计量的构造。检测统计量的构造通常依据某种最优准则。常用最优准则主要包括一种基于二阶差分的信号出现检测方法闫吉忠苏龙（中国电子科技集团公司第三十研究所 四川省成都市 610041）摘要：本文提出了一种改进的基于时域算法的二阶差分的信号出现检测方法。检测信号出现的方法有很多种，但传统方法一般需要配置固定门限，局限性比较大，并且易出现误检。本方法提出一种基于二阶差分的信号出现检测方法，通过二阶差分、累加、归一化处理后不再需要配置门限，大大提高了算法的适用范围。关键词：信号检测；二阶差分；差分累加；归一化