摘要：阐述常用的TVS管已经不能满足常规的雷电防护设计，为此，根据RTCA-DO-160G中的雷电瞬态敏感性试验要求，介绍航电设备接口模块中常用雷电防护的器件以及雷电防护方式。将三种雷电保护器件组合使用，设计一种三级雷电保护方式，并通过试验验证其能够满足B5级雷电防护试验的要求。
关键词：雷电防护，TVS,航电设备，DO-160G，飞行器
引言
飞机在飞行的过程中是无法避免雷电打击，而有些飞机还经常需要在恶劣环境中执行任务，因此雷电打击是无法避免的事。经有关部门统计，一些航线固定不变的飞机每年都将遭受雷电袭击。
因此在飞机设计初期，就要考虑到飞机的雷电防护，从而能够保障飞机即使被雷电击中，仍然能够安全飞行。由于无法完全避免飞机被雷电击中，因此在对飞机进行雷电防护中，一方面要尽可能避免飞机被雷电击中，另一方面也要提高飞机的抗雷电击打能力。
飞机的雷电防护设计就是为了保证飞机在不幸遭遇雷击后，结构上不产生影响飞行安全的损伤，并维持飞行所必需的关键系统安全、正常工作所采取的一系列措施。而航电设备是保证飞行安全的重要一环，在飞机受到雷击后，航电设备要能够正常运行不受损坏，因此航电设备接口模块的雷电防护设计就显得尤为重要。
研究背景
目前，机载电子设备雷电防护策略主要包括以下几种。（1）系统防护。目前在机载电子进行雷电防护设计时，会将飞机的整个机体防护和机载电子设备的防护综合考虑，将二者看作一个整体或者系统进行雷电防护。将关系到飞机安全的、对安全等级要求较高的设备安装在雷电破坏力和干扰相对较弱的机体中央位置，尽可能保证飞机的整体安全。机体的位置和材料不同，航电设备的雷电防护等级的要求也不同。因此需要在设计时进行从系统层面对飞机的雷电防护进行综合考虑。（2）综合防护。雷电对飞机及其航电设备的危害很大，但其持续的时间很短为微秒级别。飞机一旦遭受雷电打击，往往伴随着电磁、静电以及电源浪涌等多种综合性的干扰和冲击。因此，飞机设计师在设计时，会将电磁干扰、浪涌冲击和雷电打击等多种因素结合起来，进行综合保护。（3）弱化防护。雷电对机载电子设备的影响大多数情况下都无法完全消除，或者完全消除在经济上成本太大，而且没有必要完全消除雷电的影响。因此雷电防护的目的是将雷电的危害或影响降低到最低。所谓最低程度是指该设备运行不受影响。
航电设备接口雷电防护要求
RTCA-DO-160G中第22章雷电感应瞬态敏感度试验模拟了雷电感应的瞬态效应（也称雷电间接效应），根据机载设备在飞机上的安装位置，有不同的严酷雷击等级要求，测试时采用各种不同的波形（阻尼正弦波和反双指数）、幅度，来模拟各种环境下的雷电来测试设备的抗雷击能力。雷电感应瞬态敏感度试验包括插针注入试验和电缆束试验。其中插针注入试验直接将模拟的雷电的瞬态波形施加到受试设备的对外连接器插针上，从而来评估受试设备接口电路的抗雷击能力。线缆束试验将是将模拟的雷电瞬态信号施加到与受试设备互联的电缆束上，来评估受试设备的抗瞬态干扰能力，同时也有一定的抗损坏能力。电缆束试验包括单次回击、多次回击和多脉冲群试验。
目前，普遍认为EUT满足了插针注入试验要求，一般就能够使的航电设备不会被相应的雷击损坏。该试验分为5个等级，每个等级具有三种波形，试验要求如表1所示。
试验等级和所用的波形决定于由飞机的种类和受试设备在飞机的安装位置。其中模块接口最常见的损伤危险为波形3和波形4，比较严重的是波形5。常见的雷击等级为等级3，最恶劣的雷击等级为等级4和等级5。试验采用的测试波形规定如图1～图3所示。
航电设备雷电防护器件
目前常用的雷电防护器件有瞬态抑制二极管TVS,气体放电管GDT,压敏电阻等等。
气体放电管GDT的原理就是利用GDT处于高电压时气体会发生电离，从而产生弧光放电，将高压泄放，可以看作为一个高压控制的开关管。正常低压情况下GDT处于开路状态，其电阻很大，而电容很小,一旦其两端电压上升到气体放电管的脉冲击穿电压，气体放电管两极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，管内气体电离，放电管就会变成近似短路状态。这时气体放电管的电阻变得很小，从而将浪涌电流泄放到地，使得在气体放电管后级连接的其他器件和功能电路避免受到浪涌冲击而损坏。GDT的优点是结电容比较低，通流量大，阻抗很高，漏电流很小。但也存在击穿电压分散性较大，反应速度较慢（最短为0.1～0.2μs），可靠性较差，多次冲击易老化等缺点。
瞬态电压抑制器TVS是最常用的一种雷电防护器件。由于其成本低防护效果好，被国内外广泛用于接口防护中。TVS是由半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成，分为单向TVS管和双向TVS管，单向TVS一般应用于直流供电电路，双向TVS应用于电压交变的电路。TVS反向并联于电路，当电路正常工作时，TVS呈高阻态，处于截止状态，不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS击穿电压时，TVS迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS阻值又恢复为高阻态。TVS的漏电流较小，响应速度快在ns级别，但其钳位电压低，通流量也较低。
TBU由MOSFET半导体技术制成，通常将TBU串联在电路中。正常情况下，通过TBU的电流较小，TBU的电阻很小，对电路的影响很小。发生异常情况时，当通过TBU的电流过大，超过TBU的触发电流时，TBU立马进入保护状态，切断电流，将电流限制在1mA一下，此时TBU呈现高阻态。阻断高电压和高电流进入后级电路，避免对后级电路造成损伤。当电压浪涌结束后，电压恢复到正常状态时，TBU会自动开启重置，恢复到正常模式，不会对信号产生影响。TBU具有很好的限流降低功率的作用，其对电压比较敏感，因此在使用时，一般在其前端利用GDT或者大功率的TVS管来将电压限制在TBU的安全电压之内。
航电设备接口雷电防护电路设计
目前最常见的雷电防护方式是在接口并联一个TVS管到壳地，这种保护方式简单有效，而且成本低。目前，Littelfuse公司的SMDJ系列TVS管瞬时功率可以达到3kW，在低等级的雷电实验中可以有效将电流泄放到地，从而保护电路。但面对等级相对严酷的雷电时，瞬时功率已经超过TVS管最大功率，TVS将会被击穿无法达到保护接口电路的目的。因此，需要在TVS管前级增加一级防护来降低功率。
图4为一种三级雷电防护电路的设计方式，Vin为所要保护的接口信号输入端，在信号输入端设计一级防护，一级防护可以选用陶瓷气体放电管，或者玻璃放电管，当瞬时雷电信号注入时，陶瓷气体放电管或者玻璃放电管可以将瞬时电流泄放到大地上，降低信号端的电压和功率，要确保二级防护器件前端的电压不大于二级防护器件得工作电压。二级防护是一个串联保护装置，主要作用降低电流，可以选择压敏电阻或者瞬态阻断单元TBU，作用是降低通过的电流进一步保护后端的电路。三级防护选择TVS管，根据不同的接口选择不同型号的TVS将电压钳在一个相对比较安全的电压范围之内，从而保护后端的电路，比如28V/开信号可以选择SMDJ33A，常用的ARINC429,RS422/485等接口可以选择SMDJ6.5CA。
实验
按照RTCA-DO-160G第22章要求对该防护电路进行雷电瞬态感应敏感度试验。一级防护选用GDT，型号为Bourns公司的2027-47-47-RP,它的直流击穿电压为470V，脉冲击穿电压为725V(100V/μs)和1000V/(1000V/μs)。二级防护选用TBU，选择的是Bourns公司的TBU-CA085-500-WH,在10ms内可承受的峰值脉冲电压为850V，通过该器件的电流超过750mA时，该器件将会进入保护模式，将电流限制在很小范围内。保护后级的电路。三级防护选择TVS管，可以根据后级电路器件的耐压值具体选择，本次实验选择的是LITTELFUSE公司的SMDJ33A。在接口输入端做插针注入试验，实验等级和波形为B5，分别在Vin和Vout两端监测其电压，试验结果如图5和图6所示。
图6为信号输入端检测的波形，其最大电压值为689V，可见GDT已经将电压限制在一个相对较小的范围内。图5为Vout端监测的波形，从图中可以看出TVS管已将电压限制在TVS管的钳位电压，该电压已经处于一个相对较小的范围之内，如果后级的期间安全电压都小于TVS管的钳位电压，即可保证该接口免于雷电损坏。
结语
本文根据RTCA-DO-160G的要求，介绍了一种航电设备接口模块的雷电防护设计，理论分析了雷电防护电路的原理，并做了实验，实验表明，该设计可以经受得住B5级的雷电插针注入试验。
文章选自《研究与设计》作者：杜天宇，王云鹏，作者单位：中航工业西安计算技术研究所，转载此文章仅以传播知识为目的。本公众号致力于提供准确、全面的资讯、分享航空知识。然而，我们不保证所提供的信息完全无误，也不对因使用这些信息而产生的任何直接或间接损失承担责任。
