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關(guān)于某型大氣機(jī)雷電防護(hù)的設(shè)計與分析

2023-07-25 11:22趙津偉
教練機(jī) 2023年2期
關(guān)鍵詞:瞬態(tài)二極管雷電

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(jī)主要安裝于飛機(jī)表面,實(shí)現(xiàn)所在位置處的壓力采集及大氣參數(shù)解算,雷擊使飛機(jī)表面區(qū)域(尤其是天線或雷達(dá)附近區(qū)域)感受高能量瞬態(tài)電磁場,形成高能量電磁環(huán)境,通過電磁場耦合或阻性耦合對大氣機(jī)造成直接破壞或通過電纜束耦合成為干擾信號使大氣機(jī)功能紊亂,即雷電間接效應(yīng)。為避免上述現(xiàn)象在機(jī)上的產(chǎn)生,保證雷電環(huán)境下大氣機(jī)的正常工作,雷電間接效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計成為越來越關(guān)鍵和越來越迫切實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。由于目前國內(nèi)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(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計時應(yīng)開展充分的分析和驗證損耗[1-8]。

1 指標(biāo)要求

雷電間接效應(yīng)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(huán)境下設(shè)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(shè)備功能的“失效性容差”;引腳注入試驗主要考核設(shè)備單個引腳接口電路的防護(hù)能力,以評價設(shè)備的“破壞性容差”。由于引腳注入試驗對于產(chǎn)品防雷設(shè)計實(shí)現(xiàn)的考核更為嚴(yán)苛,以下將主要圍繞引腳注入試驗展開分析。

根據(jù)飛機(jī)的頂層要求,安裝在雷電影響區(qū)的大氣機(jī)應(yīng)按照RTCA/DO-160G 《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗 方 法》(Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment)(第22 章) 規(guī)定開展雷電間接效應(yīng)試驗中的引腳注入試驗。通過引腳注入試驗來評估大氣機(jī)接口電路的絕緣耐壓或損壞性容差,保證雷電環(huán)境下大氣機(jī)的機(jī)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(hù)措施設(shè)計

對于雷電間接效應(yīng),主要防護(hù)器件包括氣體放電管、壓敏電阻、半導(dǎo)體放電管、瞬態(tài)抑制二極管等[12,13]。

對于防護(hù)能量等級較高的應(yīng)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(tài)抑制二極管作為第二級防雷實(shí)現(xiàn)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(hù),將設(shè)備信號通路上的電流抑制在后端電路能夠承受的范圍內(nèi),以保護(hù)后端電路不因雷擊損壞。

對于防護(hù)能量等級較低或內(nèi)部防雷設(shè)計空間限制時的設(shè)備,可以直接通過選用合適的瞬態(tài)抑制二極管進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計。

瞬態(tài)抑制二極管(簡稱TVS 二極管)與常見的穩(wěn)壓二極管的工作原理基本一致,都是在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下,當(dāng)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(dǎo)通值,允許大電流通過,同時能夠?qū)⑼冯妷后橹频筋A(yù)定水平,進(jìn)而有效地保護(hù)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(dá)上千瓦,其箝位響應(yīng)時間僅為lps(10-12s)。 當(dāng)選用TVS 二極管進(jìn)行雷電防護(hù)電路設(shè)計時,應(yīng)滿足以下要求[14,15]:

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

2) TVS 二極管的最大箝位電壓Vc 應(yīng)小于被保護(hù)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(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率;

4) TVS 二極管可以串/并應(yīng)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(hù)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(jìn)行防護(hù);

5) TVS 二極管用于實(shí)現(xiàn)總線信號的防護(hù)電路時,應(yīng)考慮極間電容對產(chǎn)品使用的影響。選用二極管雷電防護(hù)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(biāo)明極間電容的具體數(shù)值,通常情況約50pF。

典型的脈沖持續(xù)時間tP為lms,當(dāng)施加到TVS 二極管上的脈沖時間tP比標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系曲線。

圖1 PPR 與tP 的關(guān)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(fā)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(shí)例分析說明

某型大氣機(jī)需要實(shí)現(xiàn)B4 等級雷電防護(hù),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(jī)各信號特性

現(xiàn)基于B4 級試驗要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計說明。

根據(jù)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(yīng)1500V/60A 及750V/750A 的能量,計算各條件下可能產(chǎn)生的脈沖電流IP及脈沖功率PPR。由于瞬態(tài)抑制二極管手冊主要標(biāo)注為10μs/1000μs 條件下各參數(shù)指標(biāo),換算整機(jī)測試波形(RTCA/DO-160G)與TVS 器件手冊中的IP及PPR測試波形轉(zhuǎn)換系數(shù)如表4 所示。

表4 波形轉(zhuǎn)換系數(shù)

1) 針對DC28V的防護(hù)

擬選用瞬態(tài)抑制二極管15KP28A 進(jìn)行防護(hù)設(shè)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(jù)波形轉(zhuǎn)換系數(shù),IP為736.28A,PPR為34950W@40μs/120μs。

因此,上述瞬態(tài)抑制二極管滿足使用要求。

2) 針對AC115V 的防護(hù)

擬選用瞬態(tài)抑制二極管TWK3-170C 進(jìn)行防護(hù)設(shè)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(tài)抑制二極管滿足使用要求。

3) 針對RS422 的防護(hù)

擬選用瞬態(tài)抑制二極管5KP6.0AS 進(jìn)行防護(hù)設(shè)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(jīng)查,上述瞬態(tài)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(jù)波形轉(zhuǎn)換系數(shù),IP為1328.1A,PPR為11650W@40μs /120μs。

因此,上述瞬態(tài)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(guān)要求,同時上述條件下大氣機(jī)能夠通過試驗考核且滿足使用需求, 進(jìn)一步確定了通過瞬態(tài)抑制二極管實(shí)現(xiàn)B4等級雷電間接防護(hù)的合理性。

4 結(jié)語

針對大氣機(jī)常用的信號線,包括各電源信號及總線信號,利用瞬態(tài)抑制二極管實(shí)現(xiàn)B4 等級間接雷電防護(hù),能夠通過試驗驗證考核,充分驗證了上述TVS二極管參數(shù)選擇的正確性?;谒矐B(tài)抑制二極管實(shí)現(xiàn)的雷電間接防護(hù)設(shè)計有效保證了大氣機(jī)在雷電試驗環(huán)境下的正常使用,后續(xù)將持續(xù)圍繞機(jī)上使用及多次雷擊條件下的性能保證開展深入分析研究。

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