機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)技術(shù)探討

石海洋　韓強(qiáng)　何立軍　俞大磊

摘要：雷電防護(hù)設(shè)計(jì)是機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，該文針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)的要求，分別從接地，屏蔽，等電位聯(lián)接，浪涌保護(hù)幾個(gè)方面闡述了雷電防護(hù)措施，分析了雷電防護(hù)器件的選用，重點(diǎn)介紹了機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法。雷電防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要多級(jí)防護(hù)來(lái)保證機(jī)載電子設(shè)備的安全。

關(guān)鍵詞：機(jī)載電子設(shè)備；雷電防護(hù)；浪涌保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）29-0235-03

機(jī)載電子設(shè)備由于在空中執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間長(zhǎng)、所處的地理位置高等特點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)載電子設(shè)備遭受雷電危害的概率大大增加。機(jī)載電子設(shè)備由于安裝在設(shè)備艙內(nèi)，一般不會(huì)遭受直擊雷，大部分危害來(lái)自于感應(yīng)雷。感應(yīng)雷可在機(jī)載電子設(shè)備的電源線、信號(hào)線上感應(yīng)出過(guò)電壓、過(guò)電流，由于其瞬變時(shí)間極短，所以具有很強(qiáng)的破壞性。感應(yīng)雷產(chǎn)生的感應(yīng)電磁脈沖可干擾數(shù)據(jù)通信，甚至影響電子設(shè)備的性能、壽命或直接損毀，因此雷電防護(hù)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。

1雷電防護(hù)要求

雷電防護(hù)是新品研制的一項(xiàng)重要指標(biāo)，應(yīng)作出詳細(xì)的計(jì)劃與安排，必須根據(jù)自身的特點(diǎn)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，盡可能減少雷電對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的危害。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)主要包括美國(guó)宇航工業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)《SAE ARP5412飛機(jī)雷電環(huán)境和相關(guān)試驗(yàn)波形》、《sAE ARP5414飛機(jī)雷電分區(qū)》和《sAE ARP5416飛機(jī)雷電試驗(yàn)方法》等。國(guó)內(nèi)軍用飛機(jī)雷電防護(hù)要求《GJB2639-1996軍用飛機(jī)雷電防護(hù)》，雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)包括《GJB3567-99軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》和《HB6129-87飛機(jī)雷電防護(hù)要求及試驗(yàn)方法》。

2雷電防護(hù)措施

雷電防護(hù)的目的是減少雷電對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的損害，雷電防護(hù)的主要措施有以下幾項(xiàng)。

2.1接地

接地是雷電防護(hù)的基礎(chǔ)，它的目的是雷電流通過(guò)低阻抗接地系統(tǒng)向大地釋放，從而保護(hù)電子設(shè)備和人員的安全。雷電的破壞作用主要是雷電流引起的，雷電流是一個(gè)幅值很大、陡度很高的沖擊波電流。要想達(dá)到良好的防雷效果，接地電阻必須越小越好。良好的接地是防雷成功的重要保證之一。

2.2屏蔽

屏蔽的主要作用是減少電磁干擾。機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)一個(gè)金屬外殼，并且有效接地，使其發(fā)揮一定的屏蔽作用。同時(shí)將信號(hào)線、電源線采用屏蔽電纜或穿金屬管屏蔽，同時(shí)需要沿線路多點(diǎn)接地。

2.3等電位聯(lián)接

等電位聯(lián)接就是將設(shè)備艙內(nèi)各種電子設(shè)備搭接起來(lái)，讓設(shè)備之間的電位相等或相近，從而消除或減少設(shè)備間電位差引起的破壞。

2.4浪涌保護(hù)

浪涌保護(hù)是雷電防護(hù)的最后一道防護(hù)墻，它主要是防止雷電波從信號(hào)線、電源線入侵造成各設(shè)備的損壞。在進(jìn)入機(jī)載電子設(shè)備的信號(hào)線、電源線上加裝相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，提供瞬間浪涌回路，將浪涌能量導(dǎo)人參考地，將線路上的電壓箝制在安全范圍內(nèi)，從而起到保護(hù)機(jī)載電子設(shè)備的作用。

3雷電防護(hù)器件選用

為了避免雷電產(chǎn)生的浪涌電壓損害電子設(shè)備，需要將浪涌電壓控制在一定的范圍內(nèi)。浪涌器件工作的基本原理是，當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗账查g大電流，把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊，從而使后級(jí)電子設(shè)備可靠工作。常用的浪涌器件有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管等器件。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選用不同的浪涌器件及他們的組合電路，浪涌器件選用注意事項(xiàng)如下：

3.1響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間就是當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí)，浪涌保護(hù)器件由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，高峰值脈沖電流通過(guò)的時(shí)間一般稱的響應(yīng)時(shí)間。同樣，當(dāng)過(guò)電壓消失時(shí)，保護(hù)元件應(yīng)從低電阻導(dǎo)體迅速變?yōu)楦咦柚到^緣體。響應(yīng)時(shí)間反映了電壓保護(hù)元件對(duì)于快速脈沖的響應(yīng)能力，在實(shí)際應(yīng)用中只有響應(yīng)時(shí)間小于線路過(guò)電壓的上升時(shí)間，才可具有過(guò)電壓抑制功能。同時(shí)對(duì)于高頻信號(hào)，只有快速地恢復(fù)狀態(tài)，才能保證線路信號(hào)的接收與傳輸?shù)男剩愿哳l信號(hào)需要選擇響應(yīng)時(shí)間短的器件。

3.2最小擊穿電壓

最小擊穿電壓是1mA電流流過(guò)浪涌保護(hù)器件時(shí)，相加在器件兩端的電壓值。為了保證電路在正常的工作范圍內(nèi)，最小擊穿電壓必須大于被保護(hù)電路的最大額定工作電壓。

3.3最大箝位電壓

峰值電流流過(guò)浪涌保護(hù)器件時(shí)，其兩極的最大峰值電壓為最大鉗位電壓。為了良好的保證被保護(hù)電路不受損害，選擇的浪涌保護(hù)器件的最大限制電壓，一定要小于電路的耐壓水平。

3.4通流容量

通流容量是指在規(guī)定的條件下，允許通過(guò)的最大峰值電流值。在實(shí)際應(yīng)用中，浪涌保護(hù)期間所吸收的浪涌電流應(yīng)大于產(chǎn)品的最大通流量，所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊(cè)中給出的產(chǎn)品最大通流量，從保護(hù)效果出發(fā)，要求所選用的通流量大一些。

3.5使用壽命

浪涌保護(hù)器件的使用壽命是有限的，在一定峰值電流的浪涌電流沖擊下，只能動(dòng)作有限次，而且每次動(dòng)作后，性能都會(huì)下降。所以，對(duì)于這些器件一定要查看廠家提供的相關(guān)的壽命曲線圖，使器件有足夠的峰值電流裕量，保證器件有足夠多的動(dòng)作次數(shù)。

4雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

4.1接地設(shè)計(jì)

在機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)箱外殼上設(shè)計(jì)接地點(diǎn)，安裝接地端子，便于和飛機(jī)地連接。盡可能降低接地線的高頻阻抗，選用寬厚、扁平的導(dǎo)線。機(jī)箱內(nèi)部的零部件采用導(dǎo)電氧化處理，降低接觸面的阻抗，提供一個(gè)低阻抗接地系統(tǒng)。

4.2屏蔽設(shè)計(jì)

采取電磁濾波、抑制輻射源、切斷傳播途徑等措施，來(lái)提高設(shè)備的電磁屏蔽性能，減小電磁干擾。在機(jī)箱上安裝了電源濾波器，電連接器進(jìn)入機(jī)架后先通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，提高了電磁兼容性能；在箱蓋板與箱體間設(shè)計(jì)低電阻的導(dǎo)電密封材料進(jìn)行密封，減少對(duì)內(nèi)的電磁干擾及對(duì)外的電磁輻射；對(duì)于機(jī)箱上的風(fēng)孔可以采用蜂窩狀屏蔽網(wǎng)或者采用小孔陣列，既可以保證通風(fēng)也可以屏蔽；采用帶有濾波功能的航空連接器，切斷傳導(dǎo)途徑。

4.3浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)

在接口電路中增加浪涌保護(hù)電路。根據(jù)不同的信號(hào)類型，電平幅值，通信速率采用不同的浪涌保護(hù)器件或者組合電路，常用的方法是將浪涌器件和被保護(hù)信號(hào)并聯(lián)，將器件放置在靠近信號(hào)人口的位置，保護(hù)后級(jí)電路在雷電環(huán)境下的安全。

5雷電防護(hù)驗(yàn)證

雷電防護(hù)措施的可靠性、有效性應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)軍用飛機(jī)雷電防護(hù)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件和過(guò)程執(zhí)行主要參考《GJB3567-1999軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》，《HB6129-87飛機(jī)雷電防護(hù)要求及試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

5.1驗(yàn)證流程

雷電防護(hù)設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷驗(yàn)證改進(jìn)的過(guò)程，基本的驗(yàn)證流程如圖1所示。

5.2雷電試驗(yàn)

以某型核心處理機(jī)為例，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行雷電間接效應(yīng)模擬試驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)要求確定試驗(yàn)方法、試驗(yàn)波形和電平參數(shù)，具體見(jiàn)表1～表4所示。

試驗(yàn)結(jié)論：核心處理平臺(tái)在雷電試驗(yàn)的過(guò)程中功能正常、性能穩(wěn)定，通過(guò)了雷電試驗(yàn)的考核，達(dá)到了系統(tǒng)雷電防護(hù)的要求。

6總結(jié)

雷電防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備從接地，屏蔽，等電位聯(lián)接，浪涌保護(hù)等多方面綜合考慮，建立一個(gè)多層次防護(hù)體系，最大限度地減少雷電對(duì)機(jī)載電子設(shè)備造成的危害，來(lái)保障設(shè)備和人員的安全。