一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置及设计方法

摘要

本发明提出一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置及设计方法，装置由瞬态阻断单元、静电释放单元和共模扼流圈组成；瞬态阻断单元串接在需要防护信号的传输路径前端，完成初级雷电防护；静电释放单元跨接在需要防护信号输入端与机壳地之间，完成次级雷电防护；共模扼流圈跨接在需要防护信号输入端与输出端之间，完成信号电磁兼容防护。本发明结合三种器件的不同特点，合理布局器件位置，使得每种器件发挥其最大特点。达到最优防护效果。本发明摒弃了传统将雷电流通过TVS管泄放的方式，而是巧妙的将雷电流阻断，最大程度的保护后级电路，同时也保证了正常工作时，路径上分布电容最小。

说明书

技术领域

本发明属于间接雷电防护技术领域，涉及一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置及设计方法。

背景技术

航空电子设备间接雷电防护是近年来新增的一项环境适应性要求，以使飞机、设备、人员在雷击中得到保护。然而，随着飞机大量使用非金属复合材料，对于雷电的屏蔽效果越来越差。同时随着电子设备的发展，高速信号运用也越来越广，使得高速信号间接雷电防护成为一项新的挑战。

目前，对于间接雷电瞬态敏感度防护比较常规的方法是屏蔽、接地、泄放等。由于航空产品的特殊性，雷电瞬态敏感度防护不能使用有打火、燃烧、放电、一次性熔断特性的器件。需要能够快速启动，雷击后能够快速恢复特性的器件。以往的做法通常采用信号对机壳地跨接瞬态电压抑制二极管(TVS-Transient Voltage Suppressor)的方法。但由于高功率TVS管结电容通常较大，难以满足高速信号传输要求，导致对高速信号间接雷电瞬态敏感度防护是目前的研究难题。

航空电子中用于设备之间信息交互的高速信号主要为，DVI(Digital Visual Interface)视频信号、LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)、以太网信号、AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)、1394信号等，其主要特征为速度在1Gbps以上，差分传输。对于这样高速的信号进行雷电防护首先应该保证其信号间的高耦合，一方面减小对外的电磁兼容辐射，一方面也减小外部雷电以强电磁波的形式耦合进DVI信号内部。高速信号采用具有360环接的屏蔽层的同轴电缆是一项较好的防护措施。然而，试验发现高速信号的防护仍不尽如人意，分析原因，主要还是因为高速信号要求低摆幅，小结电容，器件的制造工艺精度高，应用大功率防护器件会导致信号品质下降，甚至无法完成信号传输。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置及设计方法，能够满足高速信号进行DO-160规定的高等级(3等级及以上)雷电瞬态敏感度防护的要求。

本发明的技术方案为：

所述一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置，其特征在于：由瞬态阻断单元、静电释放单元和共模扼流圈组成；

瞬态阻断单元完成初级雷电防护；瞬态阻断单元串接在需要防护信号的传输路径前端，未遭受雷击时，瞬态阻断单元对传输信号呈低阻状态，雷击瞬间，瞬态阻断单元μs级启动，呈现断路状态；

静电释放单元完成次级雷电防护；静电释放单元跨接在需要防护信号输入端与机壳地之间，对瞬态阻断单元后级残存电压进行二次防护，或完成在瞬态阻断单元未完全启动过程中的雷电泄放；

共模扼流圈完成信号电磁兼容防护；共模扼流圈跨接在需要防护信号输入端与输出端之间。

进一步的优选方案，所述一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置，其特征在于：静电释放单元采用瞬态电压抑制二极管。

一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据防护要求确定需要防护的最高电压，最高电流，最小电流；

步骤2：确定信号特性，所述信号特性包括信号速率，传输路径上的分布电容和工作电流；

步骤3：根据步骤1和步骤2的结果，确定瞬态阻断单元参数、静电释放单元参数和共模扼流圈参数：

瞬态阻断单元参数包括耐受电压和触发电流，其中瞬态阻断单元耐受电压要求大于步骤1中需要防护的最高电压，触发电流要求大于步骤2中信号正常工作时的最大电流，小于步骤1中需要防护的最小电流；

静电释放单元参数包括峰值功率和分布电容；

对于峰值功率，要求静电释放单元参数的峰值功率大于防护相应等级需要的功率，防护相应等级需要的功率根据DO-160要求确定，静电释放单元参数的峰值功率通过以下步骤确定：

步骤3.1：计算DO-160要求中等级3下的波形3和波形4的瞬态源阻抗：

Z_s3＝V_oc3/I_sc3，Z_s4＝V_oc4/I_sc4

其中Z_s3和Z_s4为DO-160要求中等级3下的波形3和波形4的瞬态源阻抗，V_oc3和V_oc4为波形3和波形4的开路电压，I_sc3和I_sc4为波形3和波形4的短路电流；

步骤3.2：计算静电释放单元的击穿电压V_BR和箝位电压V_c：

V_BR＝1.2×V，V_c＝1.5×V_BR

其中V为工作电压；

步骤3.3：计算静电释放单元对应波形3和波形4的脉冲峰值电流：

I_P3＝(V_oc3-V_c)/(Z_s3+Z)，I_P4＝(V_oc4-V_c)/(Z_s4+Z)

其中Z为静电释放单元的自身阻抗；

步骤3.4：计算静电释放单元对应波形3和波形4的峰值功率：

P_P3＝V_c×I_P3，P_P4＝V_c×I_P4；

对于分布电容，要求在满足峰值功率要求的前提下，分布电容越小越好；

共模扼流圈参数包括有用信号阻抗和无用信号阻抗，要求有用信号阻抗最小，无用信号阻抗最大。

有益效果

本发明结合三种器件的不同特点，合理布局器件位置，使得每种器件发挥其最大特点。达到最优防护效果。本发明摒弃了传统将雷电流通过TVS管泄放的方式，而是巧妙的将雷电流阻断，最大程度的保护后级电路，同时也保证了正常工作时，路径上分布电容最小。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1雷电瞬态敏感度防护电路原理框图。

图2DVI链路工作原理。

图3静电释放单元脉冲时间与峰值功率响应曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种高速信号间接雷电瞬态敏感度防护装置及其设计方法，解决现有技术中高速信号高等级防护的难题。

为了实现以上目的，本发明的防护方法从几个方面提高防护能力。其一，对防护信号的特征进行分析。其二，对需要防护雷电瞬态敏感度等级进行分析。其三，选择合适的雷电防护器件，设计合适的雷电防护电路。

航空电子中用于设备之间信息交互的高速信号主要为，DVI(Digital Visual Interface)视频信号、LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)、以太网信号、AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)、1394信号等，其主要特征为速度在1Gbps以上，差分传输。对于这样高速的信号进行雷电防护首先应该保证其信号间的高耦合，一方面减小对外的电磁兼容辐射，一方面也减小外部雷电以强电磁波的形式耦合进DVI信号内部。高速信号采用具有360环接的屏蔽层的同轴电缆是一项较好的防护措施。然而，试验发现高速信号的防护仍不尽如人意，分析原因，主要是因为高速信号要求低摆幅，小结电容，器件的制造工艺精度高，应用大功率防护器件会导致信号品质下降，甚至无法完成信号传输。

本实施例采用瞬态阻断单元(TBU)、静电释放单元(瞬态电压抑制二极管)、共模扼流圈三种器件合理搭配的方案，如图1所示。

瞬态阻断单元完成初级雷电防护，也是最重要的一级防护。瞬态阻断单元串接在需要防护信号的传输路径的前端，未遭受雷击时，瞬态阻断单元对有用信号呈低阻状态，保证信号无衰减传输，雷击瞬间，瞬态阻断单元快速启动(μs级)，呈现断路状态。

静电释放单元完成次级雷电防护，根据信号特性的不同可以选择瞬态电压抑制二极管(TVS)。将其跨接在需要防护信号输入端与机壳地之间，用于抑制对瞬态阻断单元由于启动时间延迟或反复雷击过程中残压，防止残压升高对后级产生的损坏。

共模扼流圈完成信号电磁兼容防护，跨接在需要防护信号输入端与输出端之间，根据信号特性选取不同参数的共模扼流圈以实现对信号的滤波，给后级提供更加纯净的信号品质。

以分辨率1280×1024@60Hz的DVI信号进行DO-160标准规定A3J3L3等级防护为例说明相应的设计方法

一、防护要求确定；根据防护要求确定需要防护的最高电压，最高电流，最小电流。

表1为针脚注入测试要求，表2为电缆束注入测试要求，表3为，表4为电缆束单冲程测试等级表，表5为电缆束多冲程测试等级表，表6为电缆束多瞬态脉冲群测试等级表。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

从表中可以得出，考虑最严酷情况，需要防护的最高电压为600V，最高电流为600A，最小电流为6A。

二：信号特性确定；包括信号速率，传输路径上的分布电容，工作电流；

分辨率1280×1024@60Hz的DVI信号，传输速率计算方法为：

1280×1024@60Hz分辨率的视频，根据VESA标准，考虑前肩、后肩，实际水平分辨率为1688像素、垂直分辨率为1066像素，其一幅画面的点时钟频率为1688×1066@60Hz＝108Mbps，再考虑DVI信号传输8B/10B串行编码，实际在DVI线上传输的差分信号速率达到1Gbps以上。为满足信号完整性要求，传输路径上的分布电容不应大于10pF。

工作电流：根据DVI信号工作原理，如图2所示，DVI信号线上电流等于AVCC/R_T＝3.3V/50Ω＝66mA。

三、瞬态阻断单元参数确定；

瞬态阻断单元应考虑2个主要参数：

耐受电压：瞬态阻断单元耐受电压应大于(1)条中最高电压要求，而无需过多考虑耐受电流的要求。

触发电流：触发电流应大于有用信号正常工作时的最大电流，小于雷击要求的最小电流。

根据上述要求，选取BOURNS公司的TBU-CA085-500-WH，耐受电压850V，触发电流500mA。

四、静电释放单元参数确定；静电释放单元参数包括峰值功率和分布电容；

对于峰值功率，要求静电释放单元参数的峰值功率大于防护相应等级需要的功率，防护相应等级需要的功率根据DO-160要求确定，静电释放单元参数的峰值功率通过以下步骤确定：

步骤3.1：计算DO-160要求中等级3下的波形3和波形4的瞬态源阻抗：

Z_s3＝V_oc3/I_sc3＝600/24＝25Ω，Z_s4＝V_oc4/I_sc4＝300/60＝5Ω

其中Z_s3和Z_s4为DO-160要求中等级3下的波形3和波形4的瞬态源阻抗，V_oc3和V_oc4为波形3和波形4的开路电压，I_sc3和I_sc4为波形3和波形4的短路电流；

步骤3.2：计算静电释放单元的击穿电压V_BR和箝位电压V_c：

V_BR＝1.2×V＝1.2*3.3＝3.96V，V_c＝1.5×V_BR＝1.5*3.96＝5.96V

其中V为工作电压；

步骤3.3：计算静电释放单元对应波形3和波形4的脉冲峰值电流：

I_P3＝(V_oc3-V_c)/(Z_s3+Z)＝(600-5.96)/(25+10)＝17A

I_P4＝(V_oc4-V_c)/(Z_s4+Z)＝(300-5.96)/(5+10)＝19.6A

其中Z为静电释放单元的自身阻抗；

步骤3.4：计算静电释放单元对应波形3和波形4的峰值功率：

P_P3＝V_c×I_P3＝5.96×17＝101.32W，P_P4＝V_c×I_P4＝5.96×19.6＝116.82W；

对于分布电容，要求在满足峰值功率要求的前提下，分布电容越小越好；，根据信号特性的不同，要求的分布电容也不同，一般分布电容不应大于5pF。

根据上述计算，选取Protek公司的SRV05-4LC，20μm时峰值功率为500W，远大于116.82W要求，分布电容为0.7pF小于5pF要求。

五、共模扼流圈参数确定；

共模电感选取应遵循电磁兼容要求，根据器件手册选取有用信号阻抗最小，无用信号阻抗最大原则。

根据电磁兼容环境要求，选取共模扼流圈型号为SCM3216-601P。

本发明结合信号特点、防护等级要求合理选择防护器件，合理设计防护电路，在满足高速信号传输的同时实现高等级雷电瞬态敏感性防护。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。