机载电子设备雷电防护设计.docx
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机载电子设备雷电防护设计
机载电子设备雷电防护设计
AirborneElectronicEquipmentLightningProtectionDesign
1概述
地球上平均每天约发生800万次雷电，各类飞机不可避免的要遭遇大气雷电环境。
巨大的雷电能量和雷电电磁脉冲辐射使得飞行事故时有发生，如1969年,
美国阿波罗12号宇宙飞船在发射升空时遭到雷击；1988年9月，越南一架客机在曼谷上空遭雷击，76人遇难；2000年6月，我国一架飞机在强雷暴环境中遭雷击失事；2009年6月，法航AF447航班A330-200型飞机在大西洋上空遭雷击失事，机上228名乘员全部遇难。
国际航空界认为，通常一架固定航线的商业飞机，平均每年要遭到一次雷击。
一架军用飞机，在其使用寿命周期内，平均要遭到二次雷击。
在现代航空技术中，为减轻飞机结构重量、提高飞机航电系统性能而大力发展并大量采用的先进复合材料技术和微计算机、微电子技术对雷电环境更敏感，遭到雷击时损失更大。
因此，现代飞机的对雷电防护设计的要求也越来越高。
美国和欧洲等适航当局先后颁发了各类适航条例，如FAR23部、25部、27
部、29部等适航条例，就飞机的雷电防护提出了严格的要求。
我国适航当局也参照欧、美飞机雷电防护体系，颁发了相应的适航条例，如CCAR25部、29部
等。
这些适航条例及标准，对飞机雷电防护的要求主要归为三大类，即对飞机结构与部件、飞机燃油系统和飞机电气电子系统的雷电防护。
本文重点介绍飞机电
气电子系统的雷电防护设计。
2雷电防护试验要求
目前，对机载电子设备雷电防护性能的考核一般按照DO-160E第22章一一
闪电间接影响试验的要求进行。
2.1试验分类及目的
试验分两组进行，分别为插针注入试验和电缆束感应试验。
其中，插针注入试验用来验证设备的耐压能力；电缆束试验用来验证当受试
设备和它的配线处于相应的雷电环境下时，设备所能承受干扰的能力。
2.2试验等级
试验等级按照DO-160E要求定义，根据飞机对设备的要求由主机所确定，并
需经适航审查部门认可。
下面以某型产品为例对试验等级进行简单说明。
（后续
章节都以该项目为例进行说明）
试验等级为B2G22,该等级对应要求如下：
插针注入试验用于注入的波形组为B类，插针试验测试等级为2级；电缆束感应试验用于注入的波形组为G类,电缆束感应试验中单脉冲和多脉冲试验的测试等级为2级，电缆束感应试验中多
脉冲群试验的测试等级为2级。
（波形组对应波形详见表1,测试等级详见表2）。
表1波形组类别
波形组
测试类型
波形No.
B
插针注入
3,5A
G
单脉冲
2,3
4
多脉冲
2,3
4
多脉冲群
3
注1:
对插针注入试验，波形3频率使用1.0MHz（±20%）;
注2:
对电缆束感应试验，波形3频率使用1.0MHz（±20%）和10MHz（±20%）两种；
图3、图4、图5和图6。
表2测试等级
试
波形
验
插针注入试验
电缆感应试验
等
W3
W5A
单次冲击
多次冲击
多脉冲群
级
Voc/lsc
Voc/lsc
W2
WlL
W3Vt/IL
W4
Vt/Il
W2
VT/Il
W3
VT/Il
W4
Vt/Il
W3Vt/Il
1
100/4
50/50
50/100
100/20
50/100
50/50
100/20
25/50
60/1
2
250/10
125/125
125/250
250/501
25/250
125/125
250/50
62.5/125
150/2.5
注1:
Voc为开路电压峰值；
注2:
Isc为短路电流峰值；
注3:
Vt、It为测试电压和测试电流，即实际值。
注4:
Vl、Il为限制电压和限制电流，为了防止被测设备超载。
图1波形2（电压波形）
图2波形3（电压/电流波形）
图3波形4（电压波形）
峰值
5ATl=40ISH+205ET2=120^^+20%
5BT1=5（1锻抄±20咒\T2=500^^+20%
O
5
T1
T2
图4波形5（电压/电流波形）
圧一个.第一瞬变状态后紧接着卜三个后续解变状态*分布在一个1.3秒的周期中
图5多脉冲波形
YT或IL
12320
VT或IL—t-A宜
V6^~~~vA?
-SS\/\>
一个脉冲串中有go个瞬变状态分布在和looousnjfnj内
图6多脉冲群波形
2.3试验程序
2.3.1插针注入试验同一类型的引脚可通过测试具有代表性的引脚来确定合格。
试验过程如下：
a）波形3：
每个引脚正负极性各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟；
b）波形5：
每个引脚正负极性各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟；
2.3.2电缆束感应试验除测试电缆外，其余电缆都要做。
要求电缆状态与装机状态一致。
采用耦合变压器耦合雷电信号至信号线上。
试验过程如下：
a）波形2单脉冲（SS试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟；
b）波形2多脉冲（MS）试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟；
c）波形3（1MHz）单脉冲（SS试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟。
d）波形3（1MHz）多脉冲（MS）试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟。
e）波形3（1MHz）多脉冲群（MB）试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟。
f）波形3（10MHz）单脉冲（SS试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟。
g）波形3（10MHz）多脉冲（MS）试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟。
h）波形3（10MHz）多脉冲群（MB）每根电缆正负向各打10次，每两次之
间的最大间隔不大于1分钟
i）波形4单脉冲（SS试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟。
j）波形4多脉冲（MS）试验：
每根电缆正负向各打10次，每两次之间的最大间隔不大于1分钟。
3雷电防护设计
3.1.1雷电防护方案
典型的接口雷电防护方案如图7所示，图中初级保护一般选用气体放电管，过流保护采用TBU,二级、三级保护采用TVS三级防护一般用于吸收漏过去的残压。
被保护电路
图7雷电防护方案
1）气体放电管：
作用：
过压保护。
优点：
寄生电容很小，峰值功率大。
缺点：
响应速度慢（＞100ns）,会出现续流现象（会影响信号），有寿命限制（易老化）。
2）TVS管:
（瞬态抑制二极管）
作用：
过压保护。
优点：
响应速度快（10ns以内）；
缺点：
寄生电容大，峰值功率通常较小。
（当用于保护电源时，出了需考虑雷电试验能量外，还需考虑承受浪涌
试验60V100ms信号的能力）
3）TBU:
作用：
过流保护。
优点：
响应速度快，寄生电容小；
综上考虑，主要采用TVS+TBU实现雷电防护。
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i订「7<『JOPj£w
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TBU-DTOB5
-200-fH
ftonfwc一or
图8以太网保护方案
SMBJ12CA
TBU200WH
图9RS422接口保护方案
TBU-CA065-200-WH
SMBJ26A
图9RS232接口保护万案
3.1.2器件选型
TVS选择
1、电压：
反向工作电压Vrwm---根据信号电平确定；
箝位电压VC—根据拐脚能承受的最大电压来确定；重点关注箝位电压
2、峰值功率Ppk：
=箝位电压Vc*峰值电流Ipk。
3、寄生电容根据信号速率考虑
SMBJ约为1000pF;
SMLJ几千pF所以高速信号只能用小功率TVS和TBU来实现保护。
TBU选择
场效管触发器，设计于防止电路短路、交流电通过、电磁感应、雷击突波造成的故障。
TBU可阻断电波突流，提供高敏感度电子产品一道屏障，于电波突流发生时避免电子产品暴露在大量电压和电流下。
1、最高耐压值：
；
2、最高工作电流：
；
3、电阻：
；
4、响应速度：
；
5、熔断电流：
；
6恢复电压：
TBU熔断后为断路，根据两端电压恢复至导通状态，一般TBU两端压差小于18V（最大为18V）时恢复正常。
所以，28V离散量不能用TBUL
变压器选择
1、隔离电压：
可隔离共模电压，对Bourns器件约为2500V，即差分信号对上注入2500V的共模电压时，不会损坏变压器，由于是共模输入，根据变压器特性，共模电压不会耦合至后端，从而保护后端；若是单针注入，即差分线单根做试验，其输入为差模电压，变压器无法隔离，差模输入会耦合至后端，需靠别的器件来保护，如TVS。
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