基于TVS管的机载电子设备数据接口雷电防护设计.pdf

D e c e m b e r 2 0 1 4V 0 1 4 5N o 4 ( s e r i a lN o 1 5 8 )航空电子技术A V I O N I C ST E C H N O L O G Y 基于T V S 管的机载电子设备数据接口雷电防护设计 席利君1 ，阎乐1 ，殷晓晨2 ( 1 中航航空电子有限公司，北京1 0 0 0 8 6 ；2 中国航空无线电电子研究所，上海2 0 0 2 4 1 ) 摘要针对机载电子设备数据接口的雷电防护要求，本文介绍了机载电子设备雷电防护器件的选择依据， 分析了基于T v s 管的数据接口雷电防护方法和电路拓扑结构，给出了计算公式并指出了T v S 管用于数据接口 雷电防护设计中需要注意的问题。 关键词机载电子设备；雷电防护；T V S 管 中图分类号 T N 9 1 1 2 2 文献标识码】A D O I 编码 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 1 4 1 X 2 0 1 4 0 4 0 3 文章编号 l O O & 1 4 I X ( 2 0 1 4 ) 0 4 - 0 0 1 0 - 0 5 L i g h t n i n g P r o t e c t i o nD e s i g nf o rD a t aI n t e r f a c eT r a n s f e r S i g n a lo f A i r c r a f tA v i o n i c sB a s e do nT V SD e v i c e s X IL i - j u n l ，Y A NL e l ，Y I NX i a o - c h e n 2 ( 1 A V I CA v i o n i c sC o r p o r a t i o nL i m i t e d ，B e i j i n g10 0 0 8 6 ，C h i n a ； 2 C h i n aN a t i o n a lA e r o n a u t i c a lR a d i oE l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e ，S h a n g h a i2 0 0 2 4 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i sp a p e rd i s c u s s e dt h es e l e c t i o nc r i t e r i o n f o ra i r c r a f ta v i o n i c st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fl i g h t n i n g p r o t e c t i o nf o rd a t ai n t e r f a c et r a n s f e rs i g n a l s ( D I T S ) D e t a i l so nt h ea p p l i c a t i o no ft r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s o rd e v i c e ( T V S ) ，s u c ha sp r o t e c t i o nm e t h o d s ，c i r c u i tt o p o l o g y ，c a l c u l a t i o nf o r m u l a e ，a n dt h ek e yp o i n ti nd e s i g n w e r ea l s o a n a l y z e d K e y w o r d s ：a i r c r a f ta v i o n i c s ；l i g h t n i n gp r o t e c t i o n ；t r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s o r 1 概述 现代飞机均有雷达、通信、导航、识别、飞控 等机载电子设备，这些电子设备的可靠工作、可靠 互联是飞机完成飞行任务的重要保障。 喷气式飞机经常遭受雷电袭击，平均每1 0 0 0 个飞行时约1 次。雷电通常分为直击雷和感应雷。 机载电子设备安装在飞机电子设备舱内，一般不会 遭受直击雷。感应雷可在机载电子设备的电源线和 信号线上感应出电压峰值可达5 0k V 、电流峰值可 达2 0k A 的脉冲【1 】。感应雷产生的感应脉冲可干扰 数据信号的正确传输，甚至影响半导体元器件的性 能、寿命或直接烧毁。有资料显示，机载电子设备 遭雷击而损坏8 0 以上是由感应雷引起的【2 ，因此 雷电防护设计已经成为机载电子设备设计的一个 重要组成部分。 2机载电子设备雷电防护要求 机载电子设备雷电防护的的实验方法参考 G J B 2 6 3 9 1 9 9 6 军用飞机雷电防护和 万方数据 基于T V S 管的机载电子设备数据接口雷电防护设计席利君等2 0 1 4 年1 2 月第4 5 卷第4 期( 总第1 5 8 期) G J B 3 5 6 7 - 1 9 9 9 军用飞机雷电防护鉴定试验方 法，实验条件参考I 盯C D O 16 0 E 机载设备的 环境条件和测试程序( 下文简称R T C A D O 1 6 0 E ) 。 R T C A D O 1 6 0 E 针对感应雷电防护的试验包括损伤 容限试验和功能受扰试验两组。损伤容限试验的方 法是通过对被测电子设备接插件注入或电缆束感 应试验来验证其损伤抗扰度。该试验由3 种波形5 个等级组成了一个具备1 5 种情况的矩阵表，如表1 所示【3 1 。 表1R T C A D O 1 6 0 E 插针损伤试验波形与等级 3 测试 测试脉冲波形 波形3波形4波形5 A 等级 V c r I s cV o c I s cV 。c I s c 1 1 0 0 4 5 0 1 0 5 0 5 0 2 2 5 0 1 01 2 5 2 5 1 2 5 1 2 5 36 0 0 2 43 0 0 6 03 0 0 3 0 0 41 5 0 0 6 07 5 0 1 5 07 5 0 7 5 0 53 2 0 0 1 2 81 6 0 0 3 2 01 6 0 0 1 6 0 0 其中，数据接口最常见的损伤危险包括波形3 和波形4 ，最恶劣的雷击等级常为3 级，甚至4 级。 损伤容限试验采用的测试波形规定如图1 至图3 所 不。 峰V i 伯 5 0 l f nn ，l 峰磐2 5 矾 山L L l 山时间璐 。测试脉冲频事1 删z 4 - 2 0 图lR T C A D O - 1 6 0 E 电压、电流波形3 Vt 墙 值l T 1 = 6 4m s 2 0 T 2 = 6 9m s 2 0 洲 、 可广幅 m 旷一 图2R T C A D O 1 6 0 E 电压波形4 峰f j V 值f ， 、 j、 f 5 T I ：4 0 - s 2 鹏 1 2 ：1 2 0 - s 2 0 5 眦l I 一亓彳j 一1 彳i 盯i i i 广 图3R T C A D 旺1 6 0 E 电流、电压波形5 A 瞬Jr p 0 j i l + 酬 - ：- l 】 ：箸 f i j j 蔓 1 00 0 0L I s ；洲； f 7 胯j ( ) “一- 怕 【IJ I j 哼 比 1 州川( ) 1 0 图4T v S 管指数浪涌测试脉冲波形 机载电子设备数据接口的雷电防护方法 机载电子设备的雷电防护器件主要有气体放 电管、压敏电阻和瞬态电压抑制管( T v S ：T r a n s i e n t V o l t a g eS u p p r e s s o r ) 。三种雷电防护器件根据其特点 分别应用于不同场合，本文将重点叙述基于T V S 管的机载电子设备数据接口雷电防护设计。 机载电子设备数据总线通常由A R I N C 4 2 9 、 e C A N 2 0 、R S 4 2 2 、R S 4 8 5 、1 5 5 3 B 等总线构成，可 根据不同总线的电平、速率选择相应型号的T V S 管以实现雷电防护。 3 1雷电防护峰值电流的计算 以表1 所示的R T C A D O 1 6 0 E 波形4 等级4 的 雷电防护为例，需满足7 5 0 V 开路电压和1 5 0 A 短 路电流的保护。假定数据接口工作电压为1 2V ， 先计算瞬时电压的源电阻Z s ： z：竖：一750V-5f)1-1 ( 1 )D 一 一 J 。 L1 5 0 彳 式中：圪。为开路电压，k 为短路电流。 考虑箝位电压，则完成此R T C A f D O 1 6 0 E 等级 4 波形4 的雷电防护，T v S 管所需的脉冲峰值电流 厶。如下： ，。：! 丘量：7 5 0 V - 1 9 9 V - 1 4 6 A ( 2 ) 即 Z 。5 Q 式中：圪为箝位电压。 为满足R T C A D O 1 6 0 E 波形4 等级4 的雷电防 护，T V S 管需耐受不小于1 4 6A 的脉冲峰值电流。 其他测试等级和波形情况下脉冲峰值电流的计算 方法与此相同。 万方数据 D e c e m b e r 2 0 1 4V 0 1 4 5 N o 4 ( s e r i a lN o 1 5 8 )航空电子技术 A V I O N I C ST E C H N O L O G Y T V S 管的雷电防护能力计算 0 0 功 、 麦o 冲 鬈 ”1 0 釜蘸襞 渊 o i i t t t 洲_ m 川_ _ f 、f 瀚 0 一1 一i 百一一1 0 一一1 0 0 一1 0 0 0 一一1 0 0 0 0 僻脉宽u S 电流，简记为相当于3 3 3 倍的I p p ( 1 0 1 0 0 0 ) 【4 】。 首先，将相当于3 3 3 倍的I p p ( 1 0 1 0 0 0 ) p p ( 5 膨) 。参考该元器件数据手册中的峰值功 I o s 仙s = 硒P m , O S 。s ，P P o 蕊“s ) = 百而矿p o ( 而“s ) = 1 0 7 如，烈盖弘s ) 8 3 胛2 雨P J P , , , 8 3 t s 渊而1 0 炒) = 3 3 3 x l a ，o ( 而“s ) 1 2 即对于R T C A D O 一1 6 0 E 波形4 的峰值电流 I e e 8 3 a s 相当于3 3 3 倍的I p p ( 1 0 1 0 0 0 ) 峰 值电流。此处需要注意的是，当环境温度升为8 5 时k 下降为5 0 ，环境温度升为1 0 0 时下降 为3 7 ，需要根据系统要求考虑降额设计。降额越 多，则电路可靠性越高，但相应的费用也越高。 3 3 1 3 S 管的应用对总线速率的制约 正如其它半导体元器件一样，T V S 管也有寄生 电容。寄生电容的容值取决于结区域、掺杂浓度和 正负极之间的电压。反向偏执电压与寄生电容成反 比，由于寄生电容对时域反转信号呈现低阻抗效 应，信号频率越高需要越低的寄生电容。因此，T V S 管应用于高速数据总线时，其内在的寄生电容将削 弱信号强度，寄生电容越大，对信号的削弱程度越 强。 针对航空总线速度越来越高，T V S 管的选择 需要考虑其结电容参数，避免T v S 管影响正常的数 据传输。根据工程经验，T v S 管结电容与其可适用 的航空总线速率具有如图6 所示的关系【5 J 。图6 明 确地描述了T v S 管寄生电容与其所支持的信号速 率的关系。 忘 差驯掘 图6T V S 结电容与传输速率关系 3 4实际应用中选用低额定功率W S 管的方法 T v S 管可用于共模保护和差模保护，但大多数 电路只需完成共模保护即可。通常可按数据总线的 适配性选择串联电阻的方式，以便选用尺寸、峰值 功率更小的T v S 管。如图7 所示，R 2 与R 3 起到 保护和阻抗匹配的作用