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引言 參考文獻[1]介紹了一種防雷設計技術，這種技術可以將瞬時雷擊測試過程中元件經受的瞬時信號轉換為元件的數據手冊上標明的參考瞬時信號。這樣就能方便地選擇到適合應用的元器件，避免設計過程中的反復試驗過程。 另外，參考文獻[1]還介紹了用于確定耐受瞬時信號所要求的最小導線寬度的一種技術。本文將介紹一種免費的圖形化用戶界面(GUI)，可用于完成參考文獻[1]中提到的所有計算并輸出結果。然后我們可以將這些結果與數據手冊進行比較，從中選出合適的元器件，最終快速設計出極具魯棒性的防雷保護電路。 為了制造出更輕的飛行器，以便消耗更少的燃料，飛行器制造商已經開始使用碳合成材料代替鋁材來制造機身。這種改變的副作用是增加了機身上受到的雷擊對飛行器上使用的電子設備(航空電子設備)的間接影響程度。更嚴重的瞬時雷擊信號要求航空電子設備的接口具有更高魯棒性的瞬態保護功能。更強大的保護功能通常要求使用更大的元器件。但飛行器制造商和航空電子設備供應商希望保持現有設備的外形尺寸不變。因此必須仔細設計附加的防雷電路，以便能夠使用最小物理尺寸的元件。 防雷電路中使用的元件的數據手冊提供了基于參考瞬時信號的額定值。這些瞬時信號與暴露在飛行器環境中的電路遭遇的雷擊瞬時信號是不同的。因此典型的設計方法是憑經驗選擇元件。另外一種技巧是使用印刷電路板(PCB)上能夠安裝的最大元件。電路中采用的導線寬度過去通常取決于通用IPC(以前稱為印刷電路板協會，現在簡稱IPC)指南。 然而，這些指南是為連續電流開發的，因此導線寬度會比耐受瞬時電流的要求寬很多。在經過初步設計后，需要搭建和測試原型。然后對測試結果進行分析，確定電路中使用的器件和導線寬度是否合適。這種“反復試驗”過程會拖延進度，增加對資源的使用。而使用本文討論的圖形用戶界面(GUI)可以防止這些拖延。 參考文獻[2]的第22章包含有聯邦航空管理局(FAA)要求的用于間接雷擊測試的雷擊測試瞬時信號。圖1所示的波形4(WF4)是針對金屬飛行器的瞬時測試信號。 圖1：參考文獻[2]的第22章提到的波形4。 圖2所示的波形5A(WF5A)則是用于合成材料飛行器。與此波形有關的參數是開路電壓(VOC)和短路電流(ISC)。這些值可以用來校準用于測試的瞬時信號發生器的源阻抗。 圖2：參考文獻[2]的第22章提到的WF5A。 為了確定航空電子設備的測試等級，瞬時雷擊信號必須施加到機身上或進行仿真。參考文獻[3]描述了在由文獻[4]確定的不同位置(區)施加到機身或進行仿真的瞬時信號。這種測試或仿真將產生與每個區相關的電壓值。對于彼此連接的航空電子設備來說，需要計算連接電纜通過的各個區的電壓總和，然后翻倍產生每個信號線的測試值。 用文獻[3]中的工藝施加到機身上以確定航空電子設備測試等級的瞬時雷擊電流與WF4具有相同的上升時間和脈沖寬度。合成材料機身會使這種瞬時信號嚴重失真，而金屬機身產生的失真是可以忽略不計的。因此，WF5A在持續時間上要長于WF4。此外，合成材料機身會將來自瞬時雷擊信號的能量更多地傳遞給航空電子設備。為了在測試過程中仿真這一現象，WF5A也具有1Ω的源阻抗，而WF4的源阻抗為5Ω。 機身產生的失真是由合成材料機身的擴散和結構化壓降(電流x電阻)耦合引起的。圖3是簡化了的這些耦合的可視化描述。 航空電子彼此相連，比如無線電和天線。 圖3：雷擊對航空電子設備的間接影響圖。在這個例子中，雷擊信號從機尾接入，從機頭逸出。文獻[3]中的測試等級確定過程會改變整個機身上的接入逸出點。藍色元件是擴散與結構化壓降耦合的簡化模型。這個模型是文獻[5]中的模型的修改版。 在描述結構化壓降與擴散耦合時，可以將機身看作一個雷擊電流流經的電阻。通過信號線彼此連接的航空電子設備與這個電阻是并聯的關系。連接航空電子設備的電纜可以用電感和電容表示。流經電阻的電流代表結構化壓降耦合，而電抗分量代表擴散耦合。兩種耦合的組合將進一步使波形變長。由于WF5A具有更長的持續時間和更低的源阻抗，因此在相同等級下會有更多的能量傳遞到航空電子設備。 GUI安裝和啟動的用戶說明 圖形化用戶界面(GUI)可以在http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/39650上找到。這種GUI要求在最終用戶的計算機上安裝R2009b或更新版本的MATLAB。在可供下載的.zip文件中包含兩個文件：Lightning_Protection.m和Lightning_Protection.fig。將這些文件提取并保存到MATLAB的工作目錄，如圖4所示。(非MATLAB用戶可以在這里找到單獨的可執行指令) 圖4：MATLAB截屏，顯示其工作目錄中包含有兩個用于GUI的文件。 當文件放進工作目錄后，就可以在Lightning_Protection.m上點擊鼠標右鍵并選擇“Run File”或在命令行上敲入“Lightning_Protection”運行GUI。圖5所示的GUI將顯示在屏幕上。 圖5：GUI的屏幕截圖。 操作 “串聯電阻”輸入是用于抑制電路的串聯電阻。選擇這種元件的原因有很多，比如： ●受控阻抗——選擇這個值的設計師通常容差很小(ARINC429) ●最小阻抗——在電源線上很常見，串聯電阻將導致正常工作條件下功率的浪費 ●限流器——分立輸入端很常見，其中驅動電路是別人設計的，并且規定了工作狀態下的電流 還有很多其它場景，但這是一些常見的例子。 抑制器件的鉗位電壓通常是在分析待保護的下游電路后再作選擇的。在選擇鉗位電壓時必須考慮以下幾個因素： ●足夠低以保護下游電路 ●足夠低以便不妨礙下游電路的激活 ●足夠高，在正常工作過程中不會被激活 ●必須能夠耐受雷擊瞬時信號 GUI給出了1盎司、1.5盎司和2盎司的銅重量選項。銅重量相當于在1x1英尺面積上的覆銅厚度。1盎司等于1.4密耳(mil)的導線厚度。由于接口板密集布滿了信號線，設計師對導線寬度會有限制。為了使導線寬度最優化，可能會調整銅的重量(導線厚度)。 設計師必須確定合適的串聯電阻、抑制器件的鉗位電壓和銅重量。所有其它輸入都是給定的測試條件。在這些特性之間可能要作出一些折衷。 在鍵入輸入值后，設計師只需按下“Calculate”按鈕，輸出文本框中就會出現輸出結果。然后借助文獻[1]中的指南就可以用這些結果選擇出合適的元件。如果設計師希望調整某個輸入參數，只需修改那個輸入參數然后再按下“Calculate”按鈕就能更新輸出結果。這一功能使得設計師能夠在各種串聯電阻、鉗位電壓和銅重量之間迅速作出折衷。 GUI還包含文獻[1]中沒有考慮到的一個參數——反射線路阻抗。在雷擊發生器的校準過程中，用于補償反射線路阻抗的一種典型技術是增加Voc直到達到Isc。Voc 保持在文獻[2]允許的10%容差范圍內，但一般偏大。這將導致航空電子設備有點過度測試。帶有余量的魯棒性防雷技術應該沒有這方面的問題。然而，過度測試可能導致邊際設計失效。在防雷設計中應該咨詢以前對所用測試裝置的校準結果。 設計例子 下面是一個針對電源輸入的多級防雷方案設計例子。電源要求耐受4級合成材料飛行器雷擊分類B4[文獻2]。對于要保護的下游元件來說，WF5A 750/750瞬時信號[2]必須被鉗位在200V以下。 另外，鑒于過壓測試要求，抑制器件在輸入電壓為80V時必須不導通。在正常工作過程中，防雷電路上的壓降是有要求的，它將串聯電阻限制在2.5Ω以下。總之，抑制器件必須利用不到2.5Ω的串聯電阻將雷擊瞬時信號電壓可靠地鉗位在80V和200V之間。 第一級 查看一些MOV數據手冊可以知道，MOV能夠耐受WF5A 750/750瞬時電壓，并且無需串聯電阻就能提供某些鉗位操作。這種器件型號是V130LA10。使用圖6所示的V130LA5(鉗位特性與V130LA10完全相同，但最大額定電流要低一些)的PSPICE模型可以產生圖7所示的瞬時信號。在文獻[2]中的WF5A 750/750瞬時信號條件下MOV的鉗位電壓是220V。這個信息隨即被輸入圖8所示的GUI。 圖6：針對第一級的PSPICE仿真截屏。 圖7：針對第一級的PSPICE數據截屏。 圖8：針對第一級的GUI截屏。 V130LA10具有4500A的8 x 20-μs額定電流。圖6表明，在這個瞬時過程中施加到MOV上的等效8 x 20-μs電流是2566A。因此該器件可以耐受這個瞬時電壓。 為了在MOV正常工作時能夠耐受瞬時電壓，將接口觸點連接到MOV的PCB走線應該是19密耳寬的1盎司銅線。不過如果MOV發生短路時，走線應該27密耳寬才能耐受文獻[2]中WF5A 750/750瞬時信號的短路電流。 好的設計經驗表明，如果使用1盎司銅的話設計師應該將PCB走線寬度設計為至少27密耳。如果由于條件受限不能采用27密耳寬的PCB走線，他們就應該盡可能增加銅的重量。否則他們應該明白，如果MOV發生短路的話，PCB走線很可能被熔斷。 第二級 使用各種元件值和鉗位電壓進行的多次試驗表明，V85MLA1210 MOV在使用1Ω串聯電阻時具有理想的鉗位特性，如圖9所示。鉗位電壓是226V。 圖9：用于確定鉗位電壓的PSPICE模型。 增加V85MLA1210/1Ω電阻組合后將改變V130LA10器件的鉗位電壓，最終的瞬時信號如圖10所示。這個瞬時信號被導出到一個.txt文件，用于提供圖11中的GUI所需的輸入瞬時值。這個文件中的數據必須被組織成兩欄：時間和電壓，并且必須有一個標題行。這是PSPICE導出的標準格式，但數據可能來自任何源。 圖10：當增加第二級后形成的第一級瞬時信號。 圖11：第二級GUI。 通過從“Lightning Waveform being designed for”下拉框選擇“.txt_file”選項，這個.txt文件就可以被用作輸入瞬時信號。在按下“Calculate”按鈕后將彈出一個對話框，用于選擇.txt文件。當選中“.txt_file”選項后，GUI就不會再使用“Open Circuit Voltage”和“Short Circuit Current”輸入了。 利用文獻[1]提供的線繞電阻方面的0.7J/W經驗法則，可以使用一個2W、1Ω的線繞電阻。VJ15M00600K MOV具有與V85MLA1210 MOV相同的鉗位特性，但有更高的額定電流——800A。因瞬時信號導致的等效8 x 20 μs電流是625A。 第三級 對于第三級來說，80V這個要求非常重要。因此要用到瞬態抑制二極管(TVS)，因為鉗位電壓在器件的動態電流范圍內變化很小。第三級的設計方式與第二級相同。在PSPICE中改變器件，直到找到可以提供理想結果的電阻/TVS組合。然后使用GUI提供數據手冊參數，選出合適的器件。 SMDJ75CA和1.21Ω串聯電阻這個組合也可以提供想要的鉗位效果。圖12顯示了結果電路。就像第二級影響第一級上的瞬時信號一樣，增加第三級也會影響第二級的瞬時信號。圖13顯示了用于第三級GUI的結果瞬時信號。 圖11：第二級GUI。 圖13：第三級GUI。 可以使用1W、1.21Ω的線繞電阻。圖14表明，SMDJ75CA TVS可以耐受這個瞬時信號。 圖14：SMDJ75CA數據手冊中提供的額定曲線，上面給出了來自GUI的結果點。 圖15顯示了在所有級上的鉗位電壓。 圖15：所有級上的鉗位電壓。 使用每個瞬時信號作為下一級的輸入這個過程被不斷重復，直到選出正確的器件。如果PCB上的空間有限，V130LA5 MOV被發現可以用在第一級，因為這個器件的物理尺寸要小于V130LA10。然而，如果1Ω串聯電阻開路，第一級MOV將鉗位到220V，如圖7所示。因此優秀的設計經驗表明，應該盡可能使用V130LA10。 本文小結 在金屬機身時代航空電子設備的防雷保護通常是一個不太重要的任務。但當轉向合成材料機身時，防雷設計就變得相當關鍵了。文獻[1]中的成熟技術可以幫助設計師使用最小的元件自信地設計出防雷保護裝置，使航空電子設備能夠耐受特定的瞬時信號。現在，借助本文討論的GUI開發工具，防雷設計再一次變成可以輕松完成的任務，正如文中例子表明的那樣。 參考文獻 [1]. C. A. McCreary and B. A. Lail, "Lightning Transient Suppression Circuit Design for Avionics Equipment", 2012 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC), pp. 93-98, 2012. [2]. "Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment", RTCA/DO-160E, RTCA Inc. December 9, 2004. [3]. SAE-ARP5412, "Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms", SAE, 1999 [4]. SAE-ARP5414, "Aircraft Lightning Zoning", SAE, 1999 [5]. F. A. Fisher and J. A. Plumer, "Lightning Protection of Aircraft", NASA Reference Publication 1008, 1977 [6]. C. A. McCreary and B. A. Lail, "Design of Multiple Stage Avionics Lightning Protection for DC Power Input Lines Using a Graphical User Interface (GUI)", in press [7]. C. A. McCreary and B. A. Lail, "Hardening Lightning Protection for Avioincs on Composite Aircraft", in press |
