机载电子设备的间接雷电防护设计与实现.pdf
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1、 2023 年第 10 期157信息技术与信息化电子与通信技术机载电子设备的间接雷电防护设计与实现李欣瑶1 张伟栋1 贺治飞1 LI Xinyao ZHAGN Weidong HE Zhifei 摘要 机载电子设备在空中运行过程中,易受到雷电袭击,影响信号的传输与采集,甚至导致机载电子设备的损坏,影响飞行安全。针对机载电子设备易受感应间接雷击干扰甚至被损坏的问题,设计并实现相应雷电试验等级下间接雷电防护,防护对象包括机箱、电源以及各类接口信号,重点分析针对各类接口信号特点选型不同瞬态抑制二极管的方法,旨在提高机载电子设备的可靠性。经试验验证,一种机载电子设备的间接雷电防护设计方法已通过严苛的雷
2、电试验,满足雷电防护要求,能够起到有效保护后端电路的作用,可供其他机载电子设备间接雷电防护设计参考。关键词 雷电防护;机载电子设备;雷电间接效应;瞬态抑制二极管;接口信号 doi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.10.0331.航空工业西安航空计算技术研究所 陕西西安 7100650 引言雷电是一种快速放电的自然现象,其电压上升速度极快且会持续产生瞬时大电压和瞬时大电流,并且在其放电区域形成短暂的复杂磁场变化。机载电子设备的对外接口特别是通信接口,极易受到这种瞬时的大电压、大电流以及复杂磁场的影响,造成数据传输波形失真、数据混乱以及电子设备烧毁,甚至影响飞行安全1。
3、在机载设备领域,机载电子设备通常放置于飞机设备舱内,易受间接雷电影响。间接雷电效应是由直接雷电效应通过机载电子设备互联线缆电磁耦合产生的2,对间接雷电效应的防护方法主要有增加接口电路的保护、电子产品与飞机机体良好共地以及机上线缆增加屏蔽等。本文以某型机载电子设备为例,对机箱、电源以及各类接口信号进行了间接雷电防护的设计与实现,重点对各接口信号的瞬态电压抑制管(transient voltage suppressor,TVS)的选型进行了详细设计,以满足 B3、J3、L3 的间接雷电试验等级。经试验等级为 B3、J3、L3 的间接雷电试验验证,间接雷电防护设计方法已通过严苛的间接雷电试验,能够起
4、到有效保护后端接口电路的作用。1 间接雷电防护要求当前机载电子设备间接雷电防护试验主要依据 Environ-mental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment(RTCA DO-160G-2010)标准3中的雷电防护试验要求开展。雷电防护试验主要分为引脚试验、单次及多次回击试验、多重脉冲组试验。本文以较为严苛的 B3、J3、L3 试验等级要求为例进行间接雷电防护设计与实现,即引脚试验波形为B,试验电平等级为 3 级;电缆束单次和多次回击试验波形为 J,试验电平等级为 3 级;多重脉冲组试验波形为 L,试验电平等级为 3 级。试
5、验电平参考如表 1 3 所示。表 1 引脚试验电平等级电平等级波形3/3(VOC/ISC)5 A/5 A(VOC/ISC)3600/24300/300 注:VOC与 ISC的比值是校准用的瞬变脉冲源的源阻抗表 2 单次及多次回击试验电平等级电平等级波形2/1(VL/IT)2/1(VT/IL)3/3(VT/IL)4/1(VT/IL)4/5A(VL/IT)3单次回击300/600300/600600/120300/600300/1000多重回击首次回击300/300300/300600/120150/300120/400随后回击150/150150/150300/6075/15060/200注:V
6、L表示试验电压电平,IT表示试验电流电平,VL和IL表示极限电平表 3 多重脉冲组试验电平等级电平等级波形 3波形 6VT/ILVL/IT3360/6600/30本文以某型机载电子设备为例,主要针对间接雷击进行相应的雷电防护设计,雷电防护对象包括机箱、电源以及各类对外接口电路。其中,对接口电路进行间接雷电防护的主2023 年第 10 期158信息技术与信息化电子与通信技术要措施是通过在电子线路上并联能够快速吸收高能量浪涌的器件,将能量浪涌泄放到大地4,同时将电子线路上的电压钳制在安全范围内,从而起到保护机载电子设备的作用。2 间接雷电防护设计2.1 机箱雷电防护方法机箱采用铝合金导电材料制成,
7、机箱整体为电磁密封盒装结构,机箱各部件采用低阻抗连接,并在机箱上设置低阻抗搭铁线接地端子5,通过接地线使得硬件平台和系统地形成良好的放电回路,使得电缆、机箱上感应的高能量雷电及时有效地释放,避免外部雷击对机箱内部功能电路工作产生影响。通过屏蔽层及良好接地的屏蔽接地保护,设备可受到有效屏蔽保护。为有效防止间接雷电对硬件平台内部电路及接口信号产生不利影响甚至影响其正常工作,在信号传输的电缆上进行以下防护工作。(1)所有差分信号线均采用屏蔽双绞线连接。(2)电缆屏蔽层与连接器的连接采用屏蔽的附件连接,确保信号线在连接处不产生电磁泄漏。2.2 对外接口信号防护方法由于机载电子设备的调试接口不能影响飞行
8、环境下机载电子设备的正常工作状态,对地面调试、维护接口采用堵盖防护设计,用于间接雷电效应屏蔽。对机载电子设备中除调试接口以外的对外接口信号进行分类,待间接雷电效应试验的接口信号包括电源信号、RS422 总线信号、ARINC429 总线信号、离散量输入/输出信号以及其他信号等。接口信号分类、信号类型、信号说明及信号电平等如表 4 所示。表 4 接口信号分类信号类型信号说明方向信号电平电源28 V 电源输入18 V 32 V电源115 V 电源输入交流 115 V电源AAP输入28 地RS422 总线差分输出0 5 V差分输入0 5 VARINC429 总线差分输出0 10 V差分输入0 10 V
9、离散量输入输入0 28 V离散量输出输出0 28 V其他信号地信号等输入0 28 V2.2.1 电源信号雷电防护方法电源接口串联滤波器后端,相应的雷电防护设计在滤波器中处理,电路原理图见图 1 所示。图 1 电源信号雷电防护方法由于机载电子设备电源接口具有较低阻抗,导致雷击时电源信号更易受到大浪涌冲击6,因此需对电源信号采用具有较高通流能力的防护器件进行防护。对电源信号进行间接雷电防护设计时,在滤波器中分别对 115 V 三项对壳地、28 V 正负线对壳地、AAP 信号对壳地并联 TVS 管,共计并联 9 个 TVS 管实现间接防雷保护。2.2.2 其他信号雷电防护方法对于机载电子设备来说,最
10、直接的雷电防护方法就是对其对外接口信号增加防护器件进行雷电防护,其原理是通过雷电防护器件吸收施加在机载电子设备上的浪涌电压、电流脉冲等瞬间庞大能量,并将电压限制在设计值以内,从而保护机载电子设备不受损害。常用的雷电防护器件主要有气体放电管、压敏电阻和TVS 管7。气体放电管的启动电压通常较高,电流吸收能力极强,通常更适用于雷电防护等级要求较高的设备,但由于气体放电管的残压相对较高,响应时间太慢,一般不会用于信号线特别是高速信号线的雷电防护。压敏电阻的峰值电流承受能力较大,响应速度也很快,但压敏电阻的结电容相对较大,钳位电压比较高,而且压敏电阻的寿命是会随着雷电冲击次数的增加而减少的8,因此压敏
11、电阻也并不适用于对雷电防护器件的可靠性要求较高的机载电子设备中。本文选用 TVS 管对接口信号电路进行间接雷电防护设计,间接雷电防护电路设计基本原理为:瞬态电压抑制管作用于接口信号前端,用于将通过接口信号线的瞬间浪涌电压、浪涌电流泄放至大地,从而起到保护接口信号的作用。TVS管可分为单向(即单极性)TVS 管与双向(即双极性)TVS管两大类,两者区别在于双向 TVS 管可以从正、反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,相对来说,单向 TVS 管通常适用于直流电路中,而双向 TVS 管更适用于交流电路或差分信号中。在接口信号的防护电路中,TVS 管通常与被保护的信号电路并联起来。当间接雷电引入的瞬时电压超
12、过信号电路的正常工作电压时,TVS 管将为瞬时电流提供一个具有超低电 2023 年第 10 期159信息技术与信息化电子与通信技术阻的通路,通过 TVS 管将瞬时电压引开,并将信号电路两端电压钳位到 TVS 管预定的钳位电压值,从而使得间接雷电引入的瞬时能量避开被保护电路,可有效起到保护接口电路的作用。3 TVS 管选型对于不同的机载设备、不同的接口类型以及不同的防护级别,所选择的 TVS 管的参数均不相同。可以通过计算确定TVS 管的参数,为器件选型提供依据,其计算公式9为:(1)(2)(3)式中:ZS为源阻抗,VOC为开路电压,ISC为短路电流,IP为峰值电流,VC为钳位电压,t为 TVS
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