航空电子设备防雷设计的图形化用户界面

设计例子

下面是一个针对电源输入的多级防雷方案设计例子。电源要求耐受4级合成材料飞行器雷击分类B4[文献2].对于要保护的下游元件来说，WF5A 750/750瞬时信号[2]必须被钳位在200V以下。

另外，鉴于过压测试要求，抑制器件在输入电压为80V时必须不导通。在正常工作过程中，防雷电路上的压降是有要求的，它将串联电阻限制在2.5Ω以下。总之，抑制器件必须利用不到2.5Ω的串联电阻将雷击瞬时信号电压可靠地钳位在80V和200V之间。

第一级

查看一些MOV数据手册可以知道，MOV能够耐受WF5A 750/750瞬时电压，并且无需串联电阻就能提供某些钳位操作。这种器件型号是V130LA10.使用图6所示的V130LA5（钳位特性与V130LA10完全相同，但最大额定电流要低一些）的PSPICE模型可以产生图7所示的瞬时信号。在文献[2]中的WF5A 750/750瞬时信号条件下MOV的钳位电压是220V.这个信息随即被输入图8所示的GUI.


图6：针对第一级的PSPICE仿真截屏。


图7：针对第一级的PSPICE数据截屏。


图8：针对第一级的GUI截屏。

V130LA10具有4500A的8 x 20-μs额定电流。图6表明，在这个瞬时过程中施加到MOV上的等效8 x 20-μs电流是2566A.因此该器件可以耐受这个瞬时电压。

为了在MOV正常工作时能够耐受瞬时电压，将接口触点连接到MOV的PCB走线应该是19密耳宽的1盎司铜线。不过如果MOV发生短路时，走线应该27密耳宽才能耐受文献[2]中WF5A 750/750瞬时信号的短路电流。

好的设计经验表明，如果使用1盎司铜的话设计师应该将PCB走线宽度设计为至少27密耳。如果由于条件受限不能采用27密耳宽的PCB走线，他们就应该尽可能增加铜的重量。否则他们应该明白，如果MOV发生短路的话，PCB走线很可能被熔断。

第二级

使用各种元件值和钳位电压进行的多次试验表明，V85MLA1210 MOV在使用1Ω串联电阻时具有理想的钳位特性，如图9所示。钳位电压是226V.


图9：用于确定钳位电压的PSPICE模型。

增加V85MLA1210/1Ω电阻组合后将改变V130LA10器件的钳位电压，最终的瞬时信号如图10所示。这个瞬时信号被导出到一个。txt文件，用于提供图11中的GUI所需的输入瞬时值。这个文件中的数据必须被组织成两栏：时间和电压，并且必须有一个标题行。这是PSPICE导出的标准格式，但数据可能来自任何源。


图10：当增加第二级后形成的第一级瞬时信号。


图11：第二级GUI.

通过从“Lightning Waveform being designed for”下拉框选择“。txt_file”选项，这个。txt文件就可以被用作输入瞬时信号。在按下“Calculate”按钮后将弹出一个对话框，用于选择。txt文件。当选中“。txt_file”选项后，GUI就不会再使用“Open Circuit Voltage”和“Short Circuit Current”输入了。

利用文献[1]提供的线绕电阻方面的0.7J/W经验法则，可以使用一个2W、1Ω的线绕电阻。VJ15M00600K MOV具有与V85MLA1210 MOV相同的钳位特性，但有更高的额定电流——800A.因瞬时信号导致的等效8 x 20μs电流是625A.

第三级

对于第三级来说，80V这个要求非常重要。因此要用到瞬态抑制二极管（TVS），因为钳位电压在器件的动态电流范围内变化很小。第三级的设计方式与第二级相同。在PSPICE中改变器件，直到找到可以提供理想结果的电阻/TVS组合。然后使用GUI提供数据手册参数，选出合适的器件。

SMDJ75CA和1.21Ω串联电阻这个组合也可以提供想要的钳位效果。图12显示了结果电路。就像第二级影响第一级上的瞬时信号一样，增加第三级也会影响第二级的瞬时信号。图13显示了用于第三级GUI的结果瞬时信号。


图11：第二级GUI.


图13：第三级GUI.

可以使用1W、1.21Ω的线绕电阻。图14表明，SMDJ75CA TVS可以耐受这个瞬时信号。


图14：SMDJ75CA数据手册中提供的额定曲线，上面给出了来自GUI的结果点。


图15显示了在所有级上的钳位电压。

使用每个瞬时信号作为下一级的输入这个过程被不断重复，直到选出正确的器件。如果PCB上的空间有限，V130LA5 MOV被发现可以用在第一级，因为这个器件的物理尺寸要小于V130LA10.然而，如果1Ω串联电阻开路，第一级MOV将钳位到220V，如图7所示。因此优秀的设计经验表明，应该尽可能使用V130LA10.

本文小结

在金属机身时代航空电子设备的防雷保护通常是一个不太重要的任务。但当转向合成材料机身时，防雷设计就变得相当关键了。文献[1]中的成熟技术可以帮助设计师使用最小的元件自信地设计出防雷保护装置，使航空电子设备能够耐受特定的瞬时信号。现在，借助本文讨论的GUI开发工具，防雷设计再一次变成可以轻松完成的任务，正如文中例子表明的那样。

参考文献

[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