机载显示器防雷设计

闫冬

摘要：雷电对飞机飞行安全的威胁极大，对于机载显示器而言，防雷设计也是至关重要，直接关系着飞行员显示信息获取和人机交互操作。随着我国航空技术的不断发展，机载设备的雷电防护已具备比较成熟的技术。本文主要阐述了采用瞬态电压抑制二极管,即TVS管进行防雷设计的方法。主要从TVS管的选型、参数设计、功率设计等方面介绍了针对机载显示器不同类型信号尤其是高速信号的防雷设计。

关键词：TVS、防雷

自人类发明航空器以来，大气雷电始终是挥之不去的梦魇，为保证飞行安全，人类与之进行了长期不懈的斗争，从而产生了航空器雷电防护科学并有了长足发展。[1]

飞机防雷设计是使飞机整机及各零部件能够承受雷电直接效应和间接效应。机载显示器作为飞行员的主要人机交互界面，在遭受雷击时应能保持画面清晰稳定，数据通讯正常。为达到这一目的，必须对机载显示器采取必要的防雷措施。

机载显示器对外交联信号尤其是高速信号的防雷设计均需要进行防雷设计，一般可采用在线路中并联TVS管的方法实现雷电防护。TVS是一种二极管形式的高效能保护器件，在规定的反向应用条件下，当电路中由于雷电、各种电器干扰等出现大幅度的瞬态干扰电压或脉冲电流时，能够在极短的时间内（最高可达10-12秒）迅速转入反向导通状态，并将电路中的电压箝位在所要求的安全数值上，从而有效的保护电子线路中精密元器件免受损坏。干扰脉冲过去后，TVS又转入反向截止状态。由于TVS起保护作用时动作迅速、寿命长、使用方便，因此在瞬变电压防护领域有着非常广泛的应用，特别适用于防护瞬间雷击造成的高能量浪涌功率。

1、设计考虑

机载显示器雷电防护设计一般应满足机载设备环境条件与试验程序中雷电感应瞬态敏感度的规定。雷电试验一般包括雷电间接效应试验、瞬态注入试验和线缆束感应试验，其中以瞬态注入试验的要求最为严苛，因此在雷电防护设计时按照瞬态注入试验的要求进行。

瞬态注入试验即针脚注入试验，是将选定的瞬态波形直接施加到设备连接器指定针脚上的试验技术，通常施加在针脚和设备外壳地之间。针对机载显示器，以三级防雷设计为例，针脚注入波形等级要求。

2、设计方案

2.1器件选择

机载显示器一般不会遭受到直接雷击，设计过程中，主要针对感应间接雷击做相应的防护。

常见的板级浪涌防护器件包括气体放电管、压敏电阻、稳压二极管、瞬态电压抑制二极管（TVS）几类器件。气体放电管和压敏电阻是几类器件中抗浪涌能力较强的器件，但是该器件启动速度慢，对于后续有敏感器件的应用场合不适合。稳压二极管抗启动速度快，但是抗浪涌能力较弱，不能满足系统防护要求。TVS管启动速度快，抗浪涌能力适中，器件体积小、重量轻，非常适合板级防雷应用，因此采用TVS器件进行防护。机载显示器进行间接雷电防护的主要措施主要是通过在电子线路并联瞬态抑制器将能量浪涌导入机壳地，同时将线路上的电压箝制在安全范围内，从而起到保护机载显示器及其电子设备的作用。[2]

2.2 TVS参数

TVS的主要选型参数如下：

（a）最大反向工作电压VRWM

器件反向工作时，可重复的最大工作电压称为最大反向工作电压VRWM。通常VRWM=（0.8～0.9）VBR。使用时，应是VRWM不低于被保护器件或线路的正常工作电压。避免线路正常工作时，TVS处于击穿状态。

b)最大钳位电压VC

在脉冲峰值电流IPP作用下器件两端的最大电压值称为最大钳位电压。它实际上是TVS器件的最大反向浪涌电压。使用时，应使VC不高于被保护器件的最大允许安全电压。

c)反向脉冲峰值功率Ppp

TVS的Ppp取决于脉冲峰值电流IPP和最大钳位电压VC，此外，还和脉冲波形、脉冲时间、环境温度有关。反向脉冲峰值功率Ppp满足试验波形功率要求，详细内容参考TVS功率设计章节。

当脉冲时间tp一定时，Ppp=K1×K2×VC×IPP。其中K1是功率系数，K2是功率的温度系数。

d)电容CJ

TVS具有寄生电容，该电容值由硅片的面积和偏置电压来决定，电容在零偏情况下，随偏置电压的增加呈下降趋势，电容的大小会影响被保护电路的正常工作。如被保护电路为高速信号时，需要TVS具备较小的CJ参数，以保证信号传输不受影响。

e)单向/双向

TVS型号可分为单向、双向保护TVS，由于双向器件较单向器件在封装时不容易出错，同时对负向浪涌的防护效果更好，建议选择双向器件。

f)结论

TVS选型时，优先选用双向TVS器件，TVS参数应保证其VRWM参数不低于被保护器件或线路的正常工作电压；VC参数不高于被保护器件的最大允许安全电压；反向脉冲峰值功率Ppp满足试验要求；电容CPP应保证高速信号正常传输不受影响。

2.3 TVS功率设计

根据防雷设计要求，在图1条件下，开路电压VOC为300V，短路电流为ISC=60A，源内阻RS=5Ω。

根据下列公式计算流过TVS的最大电流IP和TVS承受的功率P

TVS；

………………………………………（1-1）

……………………………………（1-2）

TVS钳位电压VC与承受的功率近似为：

…………………………（1-3）

由式（1-3）可看出，TVS管承受的功率PTVS是钳位电压的二次函数，当VC为VOC的一半即150V时，PTVS承受功率最大，为4500W。

考虑防雷电路占用面积，建议采用表贴TVS器件。常用的表贴TVS主要为600W系列(SMBJ)、1.5KW系列(SMCJ)、3KW系列(SMDJ)、5KW系列四种规格。

由于TVS手册上标明的峰值功率参数是在10/1000𝜇s浪涌测试波形条件下得出的，而直接注入试验波形4是6.4/69𝜇s波形条件，在上升时间和脉宽上有所区别，因此需要对两种波形下器件的功率和通流能力进行换算。由于波形有±20%误差，故采用最差情况即83 μs来进行分析。各规格峰值功率与脉冲持续时间如图2所示，计算公式如下所示：

600W系列：

………………………………（1-4）

1.5KW系列：

……………………………（1-5）

3KW系列：

……………………………（1-6）

5KW系列：

……………………………（1-7）

结合式（1-4）～式（1-7）可得：600W系列TVS在6.4/69 𝜇s时间可承受的最大峰值功率约为1700W；1500W系列TVS在6.4/69 𝜇s时间可承受的最大峰值功率约为4500W；3000W系列TVS在6.4/69 𝜇s时间内可承受的最大峰值功率约为9300W。

TVS峰值功率与环境温度的变化曲线，显示器中TVS可能出现的最高温度为80℃，此时TVS的峰值功率降低至75%左右。同时，参照GJB Z35-1993元器件降额准则，二极管类器件功率按照2级降额为65%，以提高保护余度。因此对应600W系列TVS的有效峰值功率为828W；1500W系列的TVS有效峰值功率为2193W；3000W系列的TVS有效峰值功率为4533W。

根据式（1-3）TVS钳位电压VC与承受的功率的近似公式可计算，不同规格TVS在满足波形4等级3 试验条件时，其最大钳位电压VC限制为：

600W系列TVS在钳位电压VC不大于14V时即可满足A3级要求；

1500W系列TVS在钳位电压VC不大于42V时即可满足A3级要求；

3000W系列TVS峰值功率降额后为4533W，高于最大承受功率4500W，其全规格均满足A3级试验要求，无钳位电压限制。

2.4 信号传输设计

过大的TVS寄生电容会导致插入损耗，在传输链路不变的前提下，引起信道的信噪比下降，使信号传输距离缩短。

……………………………（1-8）

式1-8中，C为传输速率，W为信道带宽，SNR为信噪比；

……………………………（1-9）

式1-9中，Psignal为信号输出功率，Pnoise为噪声功率，PCJ为寄生二极管电容吸收的型号功率；

……………………………（1-10）

式1-10中，Cj为TVS寄生电容，Vsignal为信号幅值，fclk为信号频率；

结语

采用参数正确合理的TVS管配合电路设计可以达到理想的防雷效果，推荐机载显示设备采用。

参考文献：

[1] 航空器雷电防护技术，航空工业出版社

[2] 机载电子设备雷电防护设计，《建筑实践》2019年10期