机载电子设备雷电防护设计

机载电子设备雷电防护设计

吴任江

深圳市航天华拓科技有限公司广东深圳518071

摘要：科技的快速发展使我国各行业发展迅速。雷电对航空飞行器飞行安全构成威胁。机载电子设备担负重要飞行任务管理和执行职能，其雷电防护设计必需满足相关标准要求。

关键词：机载电子设备；雷电防护设计

引言

我国经济建设的快速发展使我国很多行业运用先进的科研技术，使其自身发展更为迅速。机载电子设备由于随飞机飞行海拔高、空中任务时间长等特征，使其遭受雷电危害的概率极大增加。因为机载电子设备一般安装在设备舱内，很少会遭受直击雷电，大概率危害来自于感应雷。

1雷电防护策略

雷电对飞行器的作用可分为直接效应和间接效应两类。机载电子设备通常安装在飞机内部，受到雷电间接效应影响。飞机在空中飞行，尤其在穿越云层时，极易受到云层放电的影响，当放电产生雷击时，强大的雷电产生的电场和磁场在飞机内部形成一个瞬态雷电效应环境，通过机体开口的电磁耦合或者结构电压（雷电流和结构电阻的乘积IR），在机体内部感应形成电压和电流，虽然持续时间很短（约几十微妙），但瞬时能量非常高，极易对机载电子设备造成干扰或损坏，严重时危及飞机的正常运行和人员安全。雷电间接效是指雷电产生的瞬态强电磁场和电流，通过互连线感应，在设备接口出现瞬态高电压和大电流，造成设备损坏或者系统功能紊乱。雷电间接效应主要通过耦合和回路感应两种方式产生危害。（1）耦合：通过线路、电容或电感耦合到另一个回路上，产生一个或者一系列瞬态高压。（2）回路感应：在回路中以瞬态电流形式出现，瞬间变化率越高，在回路中的产生的感应电压就越高。基于安全考虑，机载设备对雷电间接效应必须进行防护设计和试验验证，以确保飞机遭到雷击后，机上有关键功能的系统和设备能够正常工作，而具有重要功能的系统和设备能够自动或人工恢复正常。目前，飞机设计单位和相关电磁兼容实验室是按照RTCA/DO-160《机载设备环境条件与试验程序》标准作为机载设备电磁兼容设计和试验依据。机载电子设备的一个特点是安装在飞机机体内部，一般与外部雷电隔离。另一个特点是通常由外壳（机箱）、电连接件（插头、插座）、电路板、电源模块、接口件（芯片）等零组件组成，包括各种电路和电子元器件。机载电子设备雷电防护主要是雷电间接效应防护。当然，不排除雷电直接效应防护。机载电子设备雷电防护策略是：（1）系统防护。在飞机设计中将飞机机体雷电防护与机载电子设备雷电防护作为一个整体或系统进行考虑。尽可能将设备安放在机体中央，因为在这个位置雷电的破坏或干扰力弱。另外，不同的位置和机体材料的导电性决定了不同的防护等级和要求。（2）综合防护。雷电危害大，但是持续时间很短。机载电子设备不能单纯进行雷电防护，还要对除雷电外的电磁、静电、电源浪涌等干扰和冲击进行防护，这就要求将常规的电磁干扰和浪涌冲击防护与雷电防护结合起来进行。（3）权衡防护。机载电子设备雷电防护必然需要增加硬件元器件进而增加尺寸、重量，这就要求对设备体积、重量等指标进行权衡。（4）弱化防护。机载电子设备雷电防护的目的是将危害或影响降低到最低，不要求消灭雷电效应，因为这多数情况是达不到的，或者是经济上成本太高，或者是实际是没有必要。所谓最低或最小程度是指该设备运行不受影响。

2防雷器件选型

雷电保护的主要方法是在电路上并联可迅速吸收高能量浪涌的器件，将能量浪涌引入机壳地，同时将电路上的电压钳制在安全区域，以起到保护机载电子设备的作用。瞬态电压抑制管简称TVS管，为一种高性能电路保护器件，具备极短的反应时间(纳秒级)和极高的浪涌吸收能力，当其两端经受瞬间高能量冲击时，TVS管能以纳秒级速率将两端阻抗由高变低，可吸收瞬间大电流，从而将两端电压钳制在预定数值上，使电子电路中的精密元器件有效避免浪涌脉冲的破坏。TVS管具备反应速度快，击穿电压偏差小，漏电流小等特征，是电子设备过电压保护的首选器件。其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩特性。在浪涌电压作用下，TVS管两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBＲ并被击穿。伴随击穿电流的产生，流过TVS管的电流将到达峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被钳制到预设的最大钳位电压VC之下。之后，伴随脉冲电流的指数型衰减，TVS管两端电压也一直下降，最后恢复到原始状态，此为TVS管抑制浪涌脉冲，保护电子元器件的过程。

3注意事项

1.布线考虑，TVS管子需要跨接在保护线路正线与释放回路之间，通常会因为器件引线及印制板布线带来寄生电感，当管子导通释放能量时，会通过瞬态大电流，在线路上叠加反向电动势，并对设备内部器件造成影响。为了降低这种影响，需要减小线路寄生电感系数L，印制板布线需要遵守器件手册布线要求。2.限流电阻使用，数据通信线路限流电阻的使用，可以有效地削弱雷击浪涌电流，降低TVS防护功率要求，节约设计成本。当通信匹配阻抗前移至雷电防护功能模块后，应注意以下2点：a)总线接口芯片选型：应避免选用已经内置阻抗匹配电阻的接口芯片，以ARINC429总线发送接口芯片为例，应选型HI-8586，而非HI-8585（内置37.5ohm匹配电阻）；b)限流电阻选型：限流电阻需要承受瞬态大电流，与金属膜电阻相比，线绕电阻具有更好的耐热效应性能，因此建议使用功率线绕电阻。

4雷电防护设计

机载数据采集器雷电防护设计方法：（1）根据系统防护策略，确定机载数据采集器的防护等级和要求；（2）根据综合防护策略，综合考虑雷电、高强度辐射场、静电防护设计；（3）根据权衡防护策略，确定体积、重量允许下增加硬件元器件；（4）根据弱化防护策略，确定防护效果，并确定最终方案，满足给定标准要求。数据采集器安装于飞机内部，当雷击发生时，雷电间接效应会对设备壳体及电缆端口产生感应电压，尤其在线缆及引线端口危险性最大，可烧毁电子元器件，使电子设备不能工作。因此采用以下全系统全方位防护设计方法。对于雷电防护的主要技术措施是：（1）外部接口设计防浪涌电路。（2）增加机箱内部绝缘电阻。（3）减小机箱的搭铁电阻。（4）采用J5993系列连接器，连接器的与机箱采用导电衬垫形成360度接地。在高强辐射场环境下，外部的电磁干扰可能引起电子设备失效，对于高强度辐射场防护的主要技术措施是：（1）采用密封机箱，在内部电磁敏感区域适当增加机箱厚度。（2）对于电磁敏感区域采取屏蔽措施，如增加防护罩。（3）机箱内布线尽可能短，差分信号选用双绞线，敏感信号选择屏蔽线。（4）在PCB走线时注意在走线较长和敏感信号线旁增加地线或地平面。（5）对于进出机箱的导线进行滤波处理，如串接串芯滤波器。

结语

机载电子设备雷电防护设计是飞机雷电防护设计的重要方面。需要综合考虑雷电防护策略，不断研究和总结雷电防护设计的经验和方法，提高机载电子设备雷电防护能力，确保飞机遭到雷击后，机上有关键功能的系统和设备能够正常工作。

参考文献

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[2]ClayMcCreary.AvionicslightningprotectiondesignGUI,January06,2014.

[3]Fisher,F.A,Plumer,J.A,andPerala,R.A,DOT/FAA/CT-89/22.AircraftLightningProtectionHandbook，September，1989.