航空電子設(shè)備防雷設(shè)計(jì)的圖形化用戶(hù)界面介紹

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(guò)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(guò)程中的反復(fù)試驗(yàn)過(guò)程。

另外，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(xiàn)寬度的一種技術(shù)。本文將介紹一種免費(fèi)的圖形化用戶(hù)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(kāi)始使用碳合成材料代替鋁材來(lái)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(xiàn)寬度過(guò)去通常取決于通用IPC（以前稱(chēng)為印刷電路板協(xié)會(huì)，現(xiàn)在簡(jiǎn)稱(chēng)IPC）指南。

然而，這些指南是為連續(xù)電流開(kāi)發(fā)的，因此導(dǎo)線(xiàn)寬度會(huì)比耐受瞬時(shí)電流的要求寬很多。在經(jīng)過(guò)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(xiàn)寬度是否合適。這種“反復(fù)試驗(yàn)”過(guò)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(hù)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(kāi)路電壓（VOC）和短路電流（ISC）。這些值可以用來(lái)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(lái)說(shuō)，需要計(jì)算連接電纜通過(guò)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(xiàn)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(zhǎng)于WF4.此外，合成材料機(jī)身會(huì)將來(lái)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(guò)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(wú)線(xiàn)電和天線(xiàn)。

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(guò)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(guò)信號(hào)線(xiàn)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(zhǎng)。由于WF5A具有更長(zhǎng)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。