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基于TVS管的機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

文檔作者：席利君1 閻樂1 殷曉晨2 文檔來源： 1．中航航空電子有限公司 2．中國航空無線電電子研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年12月13日
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December 2014 V01．45 No．4(serial No．158) 航空電子技術(shù)AVIONICS TECHNOLOGY
基于TVS管的機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口雷電防護(hù)設(shè)計(jì)
席利君1，閻樂1，殷曉晨2
(1．中航航空電子有限公司，北京100086；2．中國航空無線電電子研究所，上海200241)
[摘要] 針對機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口的雷電防護(hù)要求，本文介紹了機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)器件的選擇依據(jù)，
分析了基于Tvs管的數(shù)據(jù)接口雷電防護(hù)方法和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 給出了計(jì)算公式并指出了TvS管用于數(shù)據(jù)接口
雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中需要注意的問題。
[關(guān)鍵詞] 機(jī)載電子設(shè)備；雷電防護(hù)；TVS管
[中圖分類號(hào)]TN911．22[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A[DOI編碼]10．3969／j．issn．1006．141X．2014．04．03
[文章編號(hào)]lOO&amp;amp;14IX(2014)04-0010-05
Lightning Protection Design for Data Interface Transfer
Signal of Aircraft Avionics Based on TVS Devices
XI Li-junl，YAN Lel，YIN Xiao-chen2
(1．AVIC Avionics Corporation Limited，Beijing 1 00086，China；
2．China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200241，China)
Abstract：This paper discussed the selection criterion for aircraft avionics to meet the requirements of lightning
protection for data interface transfer signals(DITS)．Details on the application of transient voltage suppressor device
(TVS)，such as protection methods，circuit topology，calculation formulae，and the key point in designwere also
analyzed．
Key words：aircraft avionics；lightning protection；transient voltage suppressor
1 概述
現(xiàn)代飛機(jī)均有雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、識(shí)別、飛控
等機(jī)載電子設(shè)備，這些電子設(shè)備的可靠工作、可靠
互聯(lián)是飛機(jī)完成飛行任務(wù)的重要保障。
噴氣式飛機(jī)經(jīng)常遭受雷電襲擊，平均每1000
個(gè)飛行時(shí)約1次。雷電通常分為直擊雷和感應(yīng)雷。
機(jī)載電子設(shè)備安裝在飛機(jī)電子設(shè)備艙內(nèi)，一般不會(huì)
遭受直擊雷。感應(yīng)雷可在機(jī)載電子設(shè)備的電源線和
信號(hào)線上感應(yīng)出電壓峰值可達(dá)50 kV、電流峰值可
達(dá)20 kA的脈沖【1】。感應(yīng)雷產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖可干擾
數(shù)據(jù)信號(hào)的正確傳輸，甚至影響半導(dǎo)體元器件的性
能、壽命或直接燒毀。有資料顯示，機(jī)載電子設(shè)備
遭雷擊而損壞80％以上是由感應(yīng)雷引起的【2]，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。
2 機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)要求
機(jī)載電子設(shè)備雷電防護(hù)的的實(shí)驗(yàn)方法參考
《GJB2639—1996軍用飛機(jī)雷電防護(hù)》和
萬方數(shù)據(jù)
基于TVS管的機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口雷電防護(hù)設(shè)計(jì)席利君等2014年12月第45卷第4期(總第158期)
《GJB3567-1999軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方
法》，實(shí)驗(yàn)條件參考《I盯C～DO．1 60E機(jī)載設(shè)備的
環(huán)境條件和測試程序》(下文簡稱RTCA／DO．160E)。
RTCA／DO．160E針對感應(yīng)雷電防護(hù)的試驗(yàn)包括損傷
容限試驗(yàn)和功能受擾試驗(yàn)兩組。損傷容限試驗(yàn)的方
法是通過對被測電子設(shè)備接插件注入或電纜束感
應(yīng)試驗(yàn)來驗(yàn)證其損傷抗擾度。該試驗(yàn)由3種波形5
個(gè)等級(jí)組成了一個(gè)具備15種情況的矩陣表，如表1
所示【31。
表1 RTCA／DO．160E插針損傷試驗(yàn)波形與等級(jí)3
測試
測試脈沖波形
波形3 波形4 波形5A
等級(jí)
Vcr／Isc Voc／Isc V。c／Isc
1 100／4 50／10 50／50
2 250／10 125／25 125／125
3 600／24 300／60 300／300
4 1500／60 750／150 750／750
5 3200／128 1600／320 1600／1600
其中，數(shù)據(jù)接口最常見的損傷危險(xiǎn)包括波形3
和波形4，最惡劣的雷擊等級(jí)常為3級(jí)，甚至4級(jí)。
損傷容限試驗(yàn)采用的測試波形規(guī)定如圖1至圖3所
不。
峰‘V／i
伯
50％lf?n n，l峰磐25¨礬
山LLl山Ⅲ時(shí)間璐
。測試脈沖頻事1刪z4-20％
圖l RTCA／DO-160E電壓、電流波形3
V t
墻‘
值l
T1=6．4 ms±20％
T2=69 ms±20％ 洲{ 、、
可廣幅]m曠㈤一
圖2 RTCA／DO．160E電壓波形4
峰fj／V
值f ，／~、
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／ 1"2：120-s±20‘
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圖3 RTCA／D旺160E電流、電壓波形5A
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圖4 TvS管指數(shù)浪涌測試脈沖波形
機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口的雷電防護(hù)方法
機(jī)載電子設(shè)備的雷電防護(hù)器件主要有氣體放
電管、壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制管(TvS：Transient
Voltage Suppressor)。三種雷電防護(hù)器件根據(jù)其特點(diǎn)
分別應(yīng)用于不同場合，本文將重點(diǎn)敘述基于TVS
管的機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。
機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)總線通常由ARINC429、
eCAN2．0、RS422、RS485、1553B等總線構(gòu)成，可
根據(jù)不同總線的電平、速率選擇相應(yīng)型號(hào)的TVS
管以實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)。
3．1 雷電防護(hù)峰值電流的計(jì)算
以表1所示的RTCA／DO．160E波形4等級(jí)4的
雷電防護(hù)為例，需滿足750V開路電壓和150A短
路電流的保護(hù)。假定數(shù)據(jù)接口工作電壓為±12 V，
先計(jì)算瞬時(shí)電壓的源電阻Zs：
zD：豎：一750V-5一f)1-1 一 (＼1J)／
。L 150彳
式中：圪。為開路電壓，k為短路電流。
考慮箝位電壓，則完成此RTCAfDO．160E等級(jí)
4波形4的雷電防護(hù)，TvS管所需的脈沖峰值電流
厶。如下： ，。。：!丘量：—750V-—19．9V-146A(2) 即
Z。5Q
式中：圪為箝位電壓。
為滿足RTCA／DO．160E波形4等級(jí)4的雷電防
護(hù)，TVS管需耐受不小于146 A的脈沖峰值電流。
其他測試等級(jí)和波形情況下脈沖峰值電流的計(jì)算
方法與此相同。
萬方數(shù)據(jù)
December2014 V01．45No．4(serial No．158) 航空電子技術(shù)AVIONICS TECHNOLOGY
TVS管的雷電防護(hù)能力計(jì)算
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僻脈寬uS
電流，簡記為相當(dāng)于3．33倍的Ipp@(10／1000№)
【4】。
首先，將相當(dāng)于3．33倍的Ipp@(10／1000№)
[pp@(5膨)。參考該元器件數(shù)據(jù)手冊中的峰值功
I"os仙s=硒Pm,OS。s×，PPo蕊“s)
=百而礦×‘po(而“s)㈨
=10．7×如，烈蓋弘s)
Ⅷ83胛2雨P(guān)JP,,,@83／ts×淵而10炒)
=3·33xla，o(而“s)
12
即對于RTCA／DO一160E波形4的峰值電流
Iee@83／as相當(dāng)于3．33倍的Ipp@(10／1000№)峰
值電流。此處需要注意的是，當(dāng)環(huán)境溫度升為85℃
時(shí)k下降為50％，環(huán)境溫度升為100℃時(shí)‰下降
為37％，需要根據(jù)系統(tǒng)要求考慮降額設(shè)計(jì)。降額越
多，則電路可靠性越高，但相應(yīng)的費(fèi)用也越高。
3．3 "13／S管的應(yīng)用對總線速率的制約
正如其它半導(dǎo)體元器件一樣，TVS管也有寄生
電容。寄生電容的容值取決于結(jié)區(qū)域、摻雜濃度和
正負(fù)極之間的電壓。反向偏執(zhí)電壓與寄生電容成反
比，由于寄生電容對時(shí)域反轉(zhuǎn)信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗效
應(yīng)，信號(hào)頻率越高需要越低的寄生電容。因此，TVS
管應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)總線時(shí)，其內(nèi)在的寄生電容將削
弱信號(hào)強(qiáng)度，寄生電容越大，對信號(hào)的削弱程度越
強(qiáng)。
針對航空總線速度越來越高， TVS管的選擇
需要考慮其結(jié)電容參數(shù)，避免TvS管影響正常的數(shù)
據(jù)傳輸。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，TvS管結(jié)電容與其可適用
的航空總線速率具有如圖6所示的關(guān)系【5J。圖6明
確地描述了TvS管寄生電容與其所支持的信號(hào)速
率的關(guān)系。
＼忘差馴◆掘
圖6 TVS結(jié)電容與傳輸速率關(guān)系
3．4 實(shí)際應(yīng)用中選用低額定功率WS管的方法
TvS管可用于共模保護(hù)和差模保護(hù)，但大多數(shù)
電路只需完成共模保護(hù)即可。通?？砂磾?shù)據(jù)總線的
適配性選擇串聯(lián)電阻的方式，以便選用尺寸、峰值
功率更小的TvS管。如圖7所示，R2與R3起到
保護(hù)和阻抗匹配的作用，由于突發(fā)電流取決于R3，
因此用R3重新計(jì)算瞬時(shí)電壓的源電阻Z￡。假定Zg增
加為8 Q(R3=3 Q)，則根據(jù)公式(2)，對于
RTCA／DO-160E等級(jí)4波形4的雷電防護(hù)峰值電流
為：
萬方數(shù)據(jù)
基于Tvs管的機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口雷電防護(hù)設(shè)計(jì)席利君等2014年12月第45卷第4期(總第158期)
I1坤坤=V2oc厶厶-2Vc—=——750醞1v-i廣廣1一9．2一’9v=191AA
可見增加的串聯(lián)電阻將峰值電流由146 A減為
91 A，因此可減小需要的TVS管。此處，R3的選
擇需要考慮其額定功率值。
一一一一一一n
航空數(shù)
據(jù)總線j．
圖7較高速率驅(qū)動(dòng)器保護(hù)
3．5 TVS管工作溫度適用范圍
為使TVS管適應(yīng)更高的工作溫度，需要降低
TVS管的吸收電流，使得PN結(jié)的熱量可以安全快
速傳到至器件表面，從而TVS管能夠安全的工作。
硅的熔化溫度為1420℃，如果超過此溫度，將溶
化并與附屬材料形成合金導(dǎo)致短路。為避免PN結(jié)
過熱導(dǎo)致燒毀，TVS管需要線性降額使用，如圖8
曲線所示。曲線表明P。。在25℃時(shí)最大，隨溫度
升高而線性下降，在150℃直線下降為0。對于所
有塑封的TVS管，k下降速度為+0．4％／。C。80℃
時(shí)TvS管額定功率下降為78％，因此，在實(shí)際應(yīng)
用中應(yīng)考慮降額使用。
＼
＼
＼
‘＼．
圖8 TVS管功軍與溫度關(guān)系
3．6 la／S管箝位電壓設(shè)計(jì)值與峰值電流的關(guān)系
在大多數(shù)TVS管的數(shù)據(jù)手冊中，僅僅表征了最大箝位電壓‰。。而在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)
常需要計(jì)算居于最大箝位電壓‰和擊穿電壓％曩
之間的箝位電壓”設(shè)計(jì)值，其計(jì)算公式如下：
， ％=手(‰一‰)+‰
·13
式中：，P為測試脈沖電流；如p為最大峰值脈沖
電流；％測試脈沖電流條件下的筘位電壓；
吃咖，為最大箝位電壓；嵋膏為擊穿電壓的上限。
通過上述計(jì)算公式可以將居于最大箝位電壓k和擊穿電壓％疊之間的箝位電壓呀受計(jì)值線性
表述出來，如圖9所示。圖中％和J『式系曲線可以
用來表征是否可以用更低的箝位電壓圪應(yīng)用于更
大的額定峰值電流J『P舶工作場合。例如：曲線的上
部表明，為了獲得預(yù)期的箝位電壓圪，以解決更高
的額定峰值電流如P的吸收問題，需要選擇更高的額
定功率的TVS管。
圖9 TVS管箱位電壓與峰值電流關(guān)系
3．7 "I'VS管在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中需注意的其他問題
TVS管的參數(shù)選擇需要考慮被保護(hù)線路的穩(wěn)
態(tài)工作電壓、箝位電壓、脈沖峰值電流、脈沖峰值
功率等。TVS管有雙向和單向之分，根據(jù)被保護(hù)線
路上的電壓正負(fù)進(jìn)行選擇，由于雷擊時(shí)正負(fù)電壓都
可能出現(xiàn)，因此優(yōu)先推薦使用雙向TVS管。
在實(shí)際使用環(huán)境中，機(jī)載電子設(shè)備往往會(huì)受到
多次雷電浪涌電壓／電流或脈沖群的沖擊，導(dǎo)致在短
時(shí)間內(nèi)積累的熱量超過器件的脈沖能量，從而燒毀
防護(hù)器件，這種情況下，RTCA／DO．160E是通過閃
電感應(yīng)瞬變敏感度試驗(yàn)中功能受擾試驗(yàn)的波形和
電平來模擬實(shí)際情況，因此，即使防護(hù)器件滿足單
次沖擊的要求，還必須根據(jù)用戶手冊中給出的有關(guān)
器件對多次沖擊及脈沖群的試驗(yàn)情況進(jìn)行選用，最
終通過試驗(yàn)驗(yàn)證所選擇的防護(hù)器件是否滿足設(shè)計(jì)
要求【61。
4 結(jié)論
本文為研發(fā)人員提供了機(jī)載電子設(shè)備數(shù)據(jù)接
口雷電防護(hù)的方法，結(jié)合分析計(jì)算設(shè)計(jì)人員可依據(jù)
萬方數(shù)據(jù)
December 2014 V01．45 No．4(serial No．158) 航空電子技術(shù)AVIONICS TECHNOLOGY
數(shù)據(jù)接口電路的特點(diǎn)選擇合適的TVS管完成系統(tǒng)子設(shè)備，經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)合理可行。
要求的防護(hù)。該設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用于某型機(jī)載電
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[收稿日期]2014．07-23
[作者簡介]席利君(1981一)，男，碩士，工程師，研究方向：航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
閻樂(1981一)，男，碩士，工程師，研究方向：航空通信導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
殷曉晨(1989一)，男，學(xué)士，助理工程師，研究方向：無人機(jī)測控系統(tǒng)信號(hào)處理設(shè)計(jì)。
(上接第9頁)
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[收稿日期]2014．06．09
[作者簡介]郁濤(1957--)，男，高工。研究方向：無源定位技術(shù)。
徐國根(1962一)，男，高級(jí)工程師。研究方向：航空電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

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