关于某型大气机雷电防护的设计与分析.pdf

教练机TRA/NERAVIC关于某型大气机雷电防护的设计与分析张 琴,赵津伟,田勇,王飞（成都凯天电子股份有限公司，四川成都,6 1 0 0 9 1）摘要：大气机作为重要的机载电子设备，主要用于实现压力的采集及大气参数的解算，并通过总线信号实现大气参数的传递。当大气机安装于机身表面且靠近机头的位置时，受雷电危害影响极大，雷电防护成为大气机设计越来越重要的一项技术指标。利用瞬态抑制二极管实现雷电间接效应防护的设计与分析，可以根据不同的信号特性设计防护方案，进行瞬态抑制二极管的选择。关键词：雷电间接效应；TVS管；RS422总线；电源Design and Analysis of Lightning Protection of a Certain ADCZhang Qin,Zhao Jinwei,TianYong,Wang Fei(Chengdu Kaitian Electronics Co.,Chengdu,Sichuan,610091)Abstract:As an important airborne electronic equipment,ADC is mainly used to realize the acquisition ofpressure and the calculation of air data and transmit the air data through bus signal.When ADC is locatedon the fuselage surface and near the nose,it is greatly affected by lightning hazards,so that lightningprotection has become an increasingly important technical index in the design of ADC.The design andanalysis of indirect lightning effect protection using transient suppression diodes can design protection schemesaccording to different signal characteristics and select transient suppression diodes.Key words:Indirect lightning effect;TVS;RS422 bus;Power supply件极为有限，而雷电试验的破坏性使试验开展难度提0引言高，为避免试验失败带来的高成本，前期进行雷电防大气机主要安装于飞机表面，实现所在位置处的护设计时应开展充分的分析和验证损耗1-8 。压力采集及大气参数解算，雷击使飞机表面区域（尤1指标要求其是天线或雷达附近区域)感受高能量瞬态电磁场，形成高能量电磁环境，通过电磁场耦合或阻性耦合对大气机造成直接破坏或通过电缆束耦合成为干扰信号使大气机功能紊乱，即雷电间接效应。为避免上述现象在机上的产生，保证雷电环境下大气机的正常工作，雷电间接效应的防护设计成为越来越关键和越来越迫切实现的指标。由于目前国内开展雷电试验的条雷电间接效应试验包括电缆束试验及引脚注人试验，其中电缆束试验主要考核雷电环境下设备电缆束上各信号的抗干扰能力，用于评价瞬变脉冲施加到电缆束时设备功能的“失效性容差”；引脚注人试验主要考核设备单个引脚接口电路的防护能力，以评价设备的“破坏性容差”。由于引脚注人试验对于产品防雷作者简介：张琴，女，1 9 8 9 年5 月出生，硕士，工程师。28教练机 2 0 2 3.NO.2专题研究15kW系列设计实现的考核更为严苛，以下将主要围绕引脚注入试验展开分析。根据飞机的顶层要求，安装在雷电影响区的大气机应按照RTCA/DO-160G机载设备环境条件和试验方法（Environmental Conditions and Test Proce-duresforAirborneEquipment）（第2 2 章）规定开展雷电间接效应试验中的引脚注入试验。通过引脚注入试验来评估大气机接口电路的绝缘耐压或损坏性容差，保证雷电环境下大气机的机上使用。引脚注人试验要求如表1、表 2 所示 9-1。表1引脚注入试验要求波形设置测试类型A引脚注入B表2 各试验波形条件波形(V/I)等级3/31100/42250/103600/2441500/6053200/1282防护措施设计对于雷电间接效应，主要防护器件包括气体放电管、压敏电阻、半导体放电管、瞬态抑制二极管等 12,13。对于防护能量等级较高的应用场景，采用多级组合防雷的方式。气体放电管等器件作为第一级防雷形成雷电能量的泄放通道，瞬态抑制二极管作为第二级防雷实现残压和浪涌的抑制，共模电感、电阻、电容可以共同组成第三级防护，将设备信号通路上的电流抑制在后端电路能够承受的范围内，以保护后端电路不因雷击损坏。对于防护能量等级较低或内部防雷设计空间限制时的设备，可以直接通过选用合适的瞬态抑制二极管进行雷电防护设计。瞬态抑制二极管（简称TVS二极管）与常见的稳压二极管的工作原理基本一致,都是在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，二极管工作阻抗能迅速降低到较小的导通值，允许大电流通过，同时能够将通路电压制到预定水平，进而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS二极管能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦,其位响应时间仅为lps(10-12s）。当选用TVS二极管进行雷电防护电路设计时，应满足以下要求 4.15：1）T V S 二极管的最高反向工作电压Vr应大于等于被保护电路的最大工作电压；2）T V S 二极管的最大位电压Vc应小于被保护电路的损坏电压；3）T V S 二极管的最大峰值脉冲功率PPR必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率；4）T V S 二极管可以串/并应用,并且可以用于增大功耗，串行连接分电压，并行连接分电流，对于雷电测试波形防护要求较高时，可选用两个满足要求的单极性TVS3/3,4/13/3,5A/5A4/15A/5A50/1050/50125/25125/125300/60300/300750/150750/7501600/3201600/1600二极管组成双极性TVS二极管进行防护；5）T V S 二极管用于实现总线信号的防护电路时，应考虑极间电容对产品使用的影响。选用二极管雷电防护电路的电流承受能力越大，极间电容也越大，普通TVS二极管未标明极间电容的具体数值，通常情况约50 pF。典型的脉冲持续时间tp为lms，当施加到TVS二极管上的脉冲时间t比标准脉冲时间短时，其脉冲峰值功率将随tp的缩短而增加,图1给出了不同系列TVS 二极管 PpR与tp的关系曲线。20kw10kw5kw2kw1kw500W100W1usIp一脉冲电流,单位为安培(A);Isc一短路电流,单位为安培(A);Voc一开路电压,单位为伏特(V);Vc一箱位电压,单位为伏特(V);Zs一浪涌脉冲发生器电源阻抗,单位为欧姆(Q);PpR一脉冲功率,单位为瓦特(W)。5kW系列1.5kW系列600W系列500W系列10us100us图1PpR与tp的关系曲线Zs=Vod/IscIp=(Voc-Vc)/ZsPpRVc(Voc-Vc)/Zs1ms10ms(1)(2)(3)教练机2 0 2 3.NO.2|29教练机TRA/NERAVIC表4波形转换系数3实例分析说明波形号码某型大气机需要实现B4等级雷电防护，涉及信试验波形Ip及Pp波形转换系数号包括DC28V、A C 115V 及RS422信号，各信号特性如表3所示。现基于B4级试验要求进行详细设计说明。根据表1、表2 的说明,B4等级试验含波形(3/3)及波形5A/5A，如图2、图3所示。表3大气机各信号特性信号名称信号特性28V正常工作电源28V地工作电源地AC115V+加温电源AC115V-加温电源RS422+RS422总线RS422-RS422总线u/i最大峰值50%-0-峰值50%0T1图3波形5波形3/3及5A/5A，分别对应150 0 V/60A及750V/750A的能量，计算各条件下可能产生的脉冲电流Ip及脉冲功率PpR。由于瞬态抑制二极管手册主要标注为10 s/1000s条件下各参数指标，换算整机测试波形(RTCA/DO-160G)与TVS器件手册中的Ip及Pp测试波形转换系数如表4所示。30教练机2 0 2 3.NO.23正弦衰减波（1MHz）11.31）针对DC28V的防护拟选用瞬态抑制二极管15KP28A进行防护设计。该器件Vc为47.5V,PpR为150 0 0 W（10 s/1000s）,I p为316 A。波形3/3(1MHz)条件下通过TVS二极管的脉冲信号电平后级耐压极限V22V29V50V050V113V118V300V113V118V300V-6V6V10V-6V6V10V最大峰值的25%到7 5%图2 波形3T1=40微秒2 0%5AT2=120微秒2 0%5BT1=50微秒2 0%T2=500微秒2 0%一1！1T25A40us/120us2.33功率：I=(1500-47.5)/(1500/60)=58.1AP=47.5*58.1=2759.75W波形5A/5A（40 s/120s）条件下通过TVS二极管的脉冲功率：I=(750-47.5)/(750/750)=702.5AP=47.5*702.5=33368.75W根据波形转换系数，Ip为7 36.2 8 A,PpR为349 50 W40s/120s。因此，上述瞬态抑制二极管满足使用要求。2）针对AC115V的防护拟选用瞬态抑制二极管TWK3-170C进行防护设计。该器件Vc为2 6 0 V，I 为30 0 0 A，P p R 约7 8 0 0 0 0 w。波形3/3(1MHz)条件下通过TVS二极管的脉冲功率：I=(1500-260)/(1500/60)=49.6AP=260*49.6=12896W波形5A/5A（40 s/120s）条件下通过TVS二极管的脉冲功率：I=(750-260)/(750/750)=490AP=260*490=127400W因此，上述瞬态抑制二极管满足使用要求。3）针对RS422的防护拟选用瞬态抑制二极管5KP6.0AS进行防护设计。该器件Vc为10.3V,Pp为50 0 0 W（10 s/1000s），Ip为 50 9 A。该RS-422总线接口，传输速率9 6 0 0 bps，则极间电容需要小于50 0 pF才能满足总线信号的正常解析，经查，上述瞬态抑制二极管极间电容约50 pF,可以满足该总线信号的工作需求。波形3/3(1MHz)条件下通过TVS二极管的脉冲功率：I=(1500-10.3)/(1500/60)=59.6A专题研究P=10.3*59.6=613.9W(收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 7)4段泽民.航空器雷电防护设计 M.北京：航空工波形5A/5A（40 s/120s）条件下通过TVS二极业出版社,2 0 13：112-16 5.管的脉冲功率：5张宝升，王超，杨恒辉.机载计算机雷电防护I=(750-10.3)/(750/750)=739.7A设计及验证 J.电子测试,2 0 2 0(1):8 9,10 2,10 3.P=10.3*739.7=7618.9W6虞昊.现代防雷技术基础 M.北京：清华大学根据波形转换系数，Ip为132 8.1A,PpR为116 50 W出版社,2 0 0 5：17 7-2 0 0.40s/120s。7胡平道.机载电子电气系统雷电间接效应防因此，上述瞬态抑制二极管满足使用要求。护与验证 J.飞机设计,2 0 0 9,2 9(6):48-51.通过以上TVS二极管的选用理论分析，各二极8黄军玲,周利军,谢家雨，高强.飞机雷电间接管均能满足波形3/3及5A/5A试验条件的相关要求，效应仿真与研究 J.2015,15(7):104-110.同时上述条件下大气机能够通过试验考核且满足使9 RTCA.D0-160G-2010,Environmental Condi-用需求，进一步确定了通过瞬态抑制二极管实现B4tions and Test Procedures for Airborne EquipmentS.等级雷电间接防护的合理性。USA,2010:349-395.4结语10赵涛宁，孙正，陈鹏.机载设备雷电间接效应试验技术 J.安全与电磁兼容，2 0 154):8 5-8 9.针对大气机常用的信号线，包括各电源信号及总11方,惠晓晖.关于DO160中雷电间接效应线信号，利用瞬态抑制二极管实现B4等级间接雷电试验的探讨 .安全与电磁兼容,2 0 2 1(2):35-37.防护，能够通过试验验证考核，充分验证了上述TVS12于文刚，李云丰，毕筱曼.航空机载电子设备二极管参数选择的正确性。基于瞬态抑制二极管实现雷电间接效应防护设计及验证 J.科技创新导报，的雷电间接防护设计有效保证了大气机在雷电试验2019,16(25):1,2,5.环境下的正常使用，后续将持续围绕机上使用及多次13刘贺楠,郭俊,伊同强,任德昌.飞行器雷电雷击条件下的性能保证开展深入分析研究。直接效应与间接效应防护综述 J.科技创新导报，2019,3(4):56-62.参考文献14曹明华,卫丽娜.航电设备接口模块的防雷1段泽伟，侯轶宸，马春江.一种机载电子设备设计 A.民用飞机航电国际论坛论文集 C,2018：雷电防护模块的设计方法 J.航空计算技术，2 0 19，306-311.49(1):115-118.15赵德海.TVS器件在航空电子产品雷电间接2段泽民.飞机雷电防护概述 .高电压技术，效应防护中的设计选用方法 A.测控技术，2 0 16:2 56-2017,43(5):1393-1399.261.3石海洋，韩强，何立军,俞大磊.机载电子设备雷电防护技术探讨.电脑知识与技术,2 0 16(2 9):2 35-2 37.教练机2 0 2 3.NO.231