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引言 參考文獻(xiàn)[1]介紹了一種防雷設(shè)計(jì)技術(shù)，這種技術(shù)可以將瞬時(shí)雷擊測(cè)試過程中元件經(jīng)受的瞬時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)明的參考瞬時(shí)信號(hào)。這樣就能方便地選擇到適合應(yīng)用的元器件，避免設(shè)計(jì)過程中的反復(fù)試驗(yàn)過程。 另外，參考文獻(xiàn)[1]還介紹了用于確定耐受瞬時(shí)信號(hào)所要求的最小導(dǎo)線寬度的一種技術(shù)。本文將介紹一種免費(fèi)的圖形化用戶界面(GUI)，可用于完成參考文獻(xiàn)[1]中提到的所有計(jì)算并輸出結(jié)果。然后我們可以將這些結(jié)果與數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行比較，從中選出合適的元器件，最終快速設(shè)計(jì)出極具魯棒性的防雷保護(hù)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(jīng)開始使用碳合成材料代替鋁材來制造機(jī)身。這種改變的副作用是增加了機(jī)身上受到的雷擊對(duì)飛行器上使用的電子設(shè)備(航空電子設(shè)備)的間接影響程度。更嚴(yán)重的瞬時(shí)雷擊信號(hào)要求航空電子設(shè)備的接口具有更高魯棒性的瞬態(tài)保護(hù)功能。更強(qiáng)大的保護(hù)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(shè)備供應(yīng)商希望保持現(xiàn)有設(shè)備的外形尺寸不變。因此必須仔細(xì)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)手冊(cè)提供了基于參考瞬時(shí)信號(hào)的額定值。這些瞬時(shí)信號(hào)與暴露在飛行器環(huán)境中的電路遭遇的雷擊瞬時(shí)信號(hào)是不同的。因此典型的設(shè)計(jì)方法是憑經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)線寬度過去通常取決于通用IPC(以前稱為印刷電路板協(xié)會(huì)，現(xiàn)在簡(jiǎn)稱IPC)指南。 然而，這些指南是為連續(xù)電流開發(fā)的，因此導(dǎo)線寬度會(huì)比耐受瞬時(shí)電流的要求寬很多。在經(jīng)過初步設(shè)計(jì)后，需要搭建和測(cè)試原型。然后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，確定電路中使用的器件和導(dǎo)線寬度是否合適。這種“反復(fù)試驗(yàn)”過程會(huì)拖延進(jìn)度，增加對(duì)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(xiàn)[2]的第22章包含有聯(lián)邦航空管理局(FAA)要求的用于間接雷擊測(cè)試的雷擊測(cè)試瞬時(shí)信號(hào)。圖1所示的波形4(WF4)是針對(duì)金屬飛行器的瞬時(shí)測(cè)試信號(hào)。 圖1：參考文獻(xiàn)[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(guān)的參數(shù)是開路電壓(VOC)和短路電流(ISC)。這些值可以用來校準(zhǔn)用于測(cè)試的瞬時(shí)信號(hào)發(fā)生器的源阻抗。 圖2：參考文獻(xiàn)[2]的第22章提到的WF5A。 為了確定航空電子設(shè)備的測(cè)試等級(jí)，瞬時(shí)雷擊信號(hào)必須施加到機(jī)身上或進(jìn)行仿真。參考文獻(xiàn)[3]描述了在由文獻(xiàn)[4]確定的不同位置(區(qū))施加到機(jī)身或進(jìn)行仿真的瞬時(shí)信號(hào)。這種測(cè)試或仿真將產(chǎn)生與每個(gè)區(qū)相關(guān)的電壓值。對(duì)于彼此連接的航空電子設(shè)備來說，需要計(jì)算連接電纜通過的各個(gè)區(qū)的電壓總和，然后翻倍產(chǎn)生每個(gè)信號(hào)線的測(cè)試值。 用文獻(xiàn)[3]中的工藝施加到機(jī)身上以確定航空電子設(shè)備測(cè)試等級(jí)的瞬時(shí)雷擊電流與WF4具有相同的上升時(shí)間和脈沖寬度。合成材料機(jī)身會(huì)使這種瞬時(shí)信號(hào)嚴(yán)重失真，而金屬機(jī)身產(chǎn)生的失真是可以忽略不計(jì)的。因此，WF5A在持續(xù)時(shí)間上要長于WF4。此外，合成材料機(jī)身會(huì)將來自瞬時(shí)雷擊信號(hào)的能量更多地傳遞給航空電子設(shè)備。為了在測(cè)試過程中仿真這一現(xiàn)象，WF5A也具有1Ω的源阻抗，而WF4的源阻抗為5Ω。 機(jī)身產(chǎn)生的失真是由合成材料機(jī)身的擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)化壓降(電流x電阻)耦合引起的。圖3是簡(jiǎn)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(duì)航空電子設(shè)備的間接影響圖。在這個(gè)例子中，雷擊信號(hào)從機(jī)尾接入，從機(jī)頭逸出。文獻(xiàn)[3]中的測(cè)試等級(jí)確定過程會(huì)改變整個(gè)機(jī)身上的接入逸出點(diǎn)。藍(lán)色元件是擴(kuò)散與結(jié)構(gòu)化壓降耦合的簡(jiǎn)化模型。這個(gè)模型是文獻(xiàn)[5]中的模型的修改版。 在描述結(jié)構(gòu)化壓降與擴(kuò)散耦合時(shí)，可以將機(jī)身看作一個(gè)雷擊電流流經(jīng)的電阻。通過信號(hào)線彼此連接的航空電子設(shè)備與這個(gè)電阻是并聯(lián)的關(guān)系。連接航空電子設(shè)備的電纜可以用電感和電容表示。流經(jīng)電阻的電流代表結(jié)構(gòu)化壓降耦合，而電抗分量代表擴(kuò)散耦合。兩種耦合的組合將進(jìn)一步使波形變長。由于WF5A具有更長的持續(xù)時(shí)間和更低的源阻抗，因此在相同等級(jí)下會(huì)有更多的能量傳遞到航空電子設(shè)備。 GUI安裝和啟動(dòng)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(jì)算機(jī)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(gè)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(dú)的可執(zhí)行指令) 圖4：MATLAB截屏，顯示其工作目錄中包含有兩個(gè)用于GUI的文件。 當(dāng)文件放進(jìn)工作目錄后，就可以在Lightning_Protection.m上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵并選擇“Run File”或在命令行上敲入“Lightning_Protection”運(yùn)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(lián)電阻”輸入是用于抑制電路的串聯(lián)電阻。選擇這種元件的原因有很多，比如： ●受控阻抗——選擇這個(gè)值的設(shè)計(jì)師通常容差很小(ARINC429) ●最小阻抗——在電源線上很常見，串聯(lián)電阻將導(dǎo)致正常工作條件下功率的浪費(fèi) ●限流器——分立輸入端很常見，其中驅(qū)動(dòng)電路是別人設(shè)計(jì)的，并且規(guī)定了工作狀態(tài)下的電流 還有很多其它場(chǎng)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(hù)的下游電路后再作選擇的。在選擇鉗位電壓時(shí)必須考慮以下幾個(gè)因素： ●足夠低以保護(hù)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(huì)被激活 ●必須能夠耐受雷擊瞬時(shí)信號(hào) GUI給出了1盎司、1.5盎司和2盎司的銅重量選項(xiàng)。銅重量相當(dāng)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(dǎo)線厚度。由于接口板密集布滿了信號(hào)線，設(shè)計(jì)師對(duì)導(dǎo)線寬度會(huì)有限制。為了使導(dǎo)線寬度最優(yōu)化，可能會(huì)調(diào)整銅的重量(導(dǎo)線厚度)。 設(shè)計(jì)師必須確定合適的串聯(lián)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(cè)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(shè)計(jì)師只需按下“Calculate”按鈕，輸出文本框中就會(huì)出現(xiàn)輸出結(jié)果。然后借助文獻(xiàn)[1]中的指南就可以用這些結(jié)果選擇出合適的元件。如果設(shè)計(jì)師希望調(diào)整某個(gè)輸入?yún)?shù)，只需修改那個(gè)輸入?yún)?shù)然后再按下“Calculate”按鈕就能更新輸出結(jié)果。這一功能使得設(shè)計(jì)師能夠在各種串聯(lián)電阻、鉗位電壓和銅重量之間迅速作出折衷。 GUI還包含文獻(xiàn)[1]中沒有考慮到的一個(gè)參數(shù)——反射線路阻抗。在雷擊發(fā)生器的校準(zhǔn)過程中，用于補(bǔ)償反射線路阻抗的一種典型技術(shù)是增加Voc直到達(dá)到Isc。Voc 保持在文獻(xiàn)[2]允許的10%容差范圍內(nèi)，但一般偏大。這將導(dǎo)致航空電子設(shè)備有點(diǎn)過度測(cè)試。帶有余量的魯棒性防雷技術(shù)應(yīng)該沒有這方面的問題。然而，過度測(cè)試可能導(dǎo)致邊際設(shè)計(jì)失效。在防雷設(shè)計(jì)中應(yīng)該咨詢以前對(duì)所用測(cè)試裝置的校準(zhǔn)結(jié)果。 設(shè)計(jì)例子 下面是一個(gè)針對(duì)電源輸入的多級(jí)防雷方案設(shè)計(jì)例子。電源要求耐受4級(jí)合成材料飛行器雷擊分類B4[文獻(xiàn)2]。對(duì)于要保護(hù)的下游元件來說，WF5A 750/750瞬時(shí)信號(hào)[2]必須被鉗位在200V以下。 另外，鑒于過壓測(cè)試要求，抑制器件在輸入電壓為80V時(shí)必須不導(dǎo)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(lián)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(lián)電阻將雷擊瞬時(shí)信號(hào)電壓可靠地鉗位在80V和200V之間。 第一級(jí) 查看一些MOV數(shù)據(jù)手冊(cè)可以知道，MOV能夠耐受WF5A 750/750瞬時(shí)電壓，并且無需串聯(lián)電阻就能提供某些鉗位操作。這種器件型號(hào)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(chǎn)生圖7所示的瞬時(shí)信號(hào)。在文獻(xiàn)[2]中的WF5A 750/750瞬時(shí)信號(hào)條件下MOV的鉗位電壓是220V。這個(gè)信息隨即被輸入圖8所示的GUI。 圖6：針對(duì)第一級(jí)的PSPICE仿真截屏。 圖7：針對(duì)第一級(jí)的PSPICE數(shù)據(jù)截屏。 圖8：針對(duì)第一級(jí)的GUI截屏。 V130LA10具有4500A的8 x 20-μs額定電流。圖6表明，在這個(gè)瞬時(shí)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(gè)瞬時(shí)電壓。 為了在MOV正常工作時(shí)能夠耐受瞬時(shí)電壓，將接口觸點(diǎn)連接到MOV的PCB走線應(yīng)該是19密耳寬的1盎司銅線。不過如果MOV發(fā)生短路時(shí)，走線應(yīng)該27密耳寬才能耐受文獻(xiàn)[2]中WF5A 750/750瞬時(shí)信號(hào)的短路電流。 好的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，如果使用1盎司銅的話設(shè)計(jì)師應(yīng)該將PCB走線寬度設(shè)計(jì)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(yīng)該盡可能增加銅的重量。否則他們應(yīng)該明白，如果MOV發(fā)生短路的話，PCB走線很可能被熔斷。 第二級(jí) 使用各種元件值和鉗位電壓進(jìn)行的多次試驗(yàn)表明，V85MLA1210 MOV在使用1Ω串聯(lián)電阻時(shí)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(shí)信號(hào)如圖10所示。這個(gè)瞬時(shí)信號(hào)被導(dǎo)出到一個(gè).txt文件，用于提供圖11中的GUI所需的輸入瞬時(shí)值。這個(gè)文件中的數(shù)據(jù)必須被組織成兩欄：時(shí)間和電壓，并且必須有一個(gè)標(biāo)題行。這是PSPICE導(dǎo)出的標(biāo)準(zhǔn)格式，但數(shù)據(jù)可能來自任何源。 圖10：當(dāng)增加第二級(jí)后形成的第一級(jí)瞬時(shí)信號(hào)。 圖11：第二級(jí)GUI。 通過從“Lightning Waveform being designed for”下拉框選擇“.txt_file”選項(xiàng)，這個(gè).txt文件就可以被用作輸入瞬時(shí)信號(hào)。在按下“Calculate”按鈕后將彈出一個(gè)對(duì)話框，用于選擇.txt文件。當(dāng)選中“.txt_file”選項(xiàng)后，GUI就不會(huì)再使用“Open Circuit Voltage”和“Short Circuit Current”輸入了。 利用文獻(xiàn)[1]提供的線繞電阻方面的0.7J/W經(jīng)驗(yàn)法則，可以使用一個(gè)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(shí)信號(hào)導(dǎo)致的等效8 x 20 μs電流是625A。 第三級(jí) 對(duì)于第三級(jí)來說，80V這個(gè)要求非常重要。因此要用到瞬態(tài)抑制二極管(TVS)，因?yàn)殂Q位電壓在器件的動(dòng)態(tài)電流范圍內(nèi)變化很小。第三級(jí)的設(shè)計(jì)方式與第二級(jí)相同。在PSPICE中改變器件，直到找到可以提供理想結(jié)果的電阻/TVS組合。然后使用GUI提供數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)，選出合適的器件。 SMDJ75CA和1.21Ω串聯(lián)電阻這個(gè)組合也可以提供想要的鉗位效果。圖12顯示了結(jié)果電路。就像第二級(jí)影響第一級(jí)上的瞬時(shí)信號(hào)一樣，增加第三級(jí)也會(huì)影響第二級(jí)的瞬時(shí)信號(hào)。圖13顯示了用于第三級(jí)GUI的結(jié)果瞬時(shí)信號(hào)。 圖11：第二級(jí)GUI。 圖13：第三級(jí)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(gè)瞬時(shí)信號(hào)。 圖14：SMDJ75CA數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的額定曲線，上面給出了來自GUI的結(jié)果點(diǎn)。 圖15顯示了在所有級(jí)上的鉗位電壓。 圖15：所有級(jí)上的鉗位電壓。 使用每個(gè)瞬時(shí)信號(hào)作為下一級(jí)的輸入這個(gè)過程被不斷重復(fù)，直到選出正確的器件。如果PCB上的空間有限，V130LA5 MOV被發(fā)現(xiàn)可以用在第一級(jí)，因?yàn)檫@個(gè)器件的物理尺寸要小于V130LA10。然而，如果1Ω串聯(lián)電阻開路，第一級(jí)MOV將鉗位到220V，如圖7所示。因此優(yōu)秀的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)該盡可能使用V130LA10。 本文小結(jié) 在金屬機(jī)身時(shí)代航空電子設(shè)備的防雷保護(hù)通常是一個(gè)不太重要的任務(wù)。但當(dāng)轉(zhuǎn)向合成材料機(jī)身時(shí)，防雷設(shè)計(jì)就變得相當(dāng)關(guān)鍵了。文獻(xiàn)[1]中的成熟技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師使用最小的元件自信地設(shè)計(jì)出防雷保護(hù)裝置，使航空電子設(shè)備能夠耐受特定的瞬時(shí)信號(hào)。現(xiàn)在，借助本文討論的GUI開發(fā)工具，防雷設(shè)計(jì)再一次變成可以輕松完成的任務(wù)，正如文中例子表明的那樣。 參考文獻(xiàn) [1]. 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