航空电子设备防雷设计的图形化用户界面

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引言
       
        参考文献[1]介绍了一种防雷设计技术，这种技术可以将瞬时雷击测试过程中元件经受的瞬时信号转换为元件的数据手册上标明的参考瞬时信号。这样就能方便地选择到适合应用的元器件，避免设计过程中的反复试验过程。
       
        另外，参考文献[1]还介绍了用于确定耐受瞬时信号所要求的最小导线宽度的一种技术。本文将介绍一种免费的图形化用户界面（GUI），可用于完成参考文献[1]中提到的所有计算并输出结果。然后我们可以将这些结果与数据手册进行比较，从中选出合适的元器件，最终快速设计出极具鲁棒性的防雷保护电路。
       
        为了制造出更轻的飞行器，以便消耗更少的燃料，飞行器制造商已经开始使用碳合成材料代替铝材来制造机身。这种改变的副作用是增加了机身上受到的雷击对飞行器上使用的电子设备（航空电子设备）的间接影响程度。更严重的瞬时雷击信号要求航空电子设备的接口具有更高鲁棒性的瞬态保护功能。更强大的保护功能通常要求使用更大的元器件。但飞行器制造商和航空电子设备供应商希望保持现有设备的外形尺寸不变。因此必须仔细设计附加的防雷电路，以便能够使用最小物理尺寸的元件。
       
        防雷电路中使用的元件的数据手册提供了基于参考瞬时信号的额定值。这些瞬时信号与暴露在飞行器环境中的电路遭遇的雷击瞬时信号是不同的。因此典型的设计方法是凭经验选择元件。另外一种技巧是使用印刷电路板（PCB）上能够安装的最大元件。电路中采用的导线宽度过去通常取决于通用IPC（以前称为印刷电路板协会，现在简称IPC）指南。
       
        然而，这些指南是为连续电流开发的，因此导线宽度会比耐受瞬时电流的要求宽很多。在经过初步设计后，需要搭建和测试原型。然后对测试结果进行分析，确定电路中使用的器件和导线宽度是否合适。这种“反复试验”过程会拖延进度，增加对资源的使用。而使用本文讨论的图形用户界面（GUI）可以防止这些拖延。
       
        参考文献[2]的第22章包含有联邦航空管理局（FAA）要求的用于间接雷击测试的雷击测试瞬时信号。图1所示的波形4（WF4）是针对金属飞行器的瞬时测试信号。
       
       
        图1：参考文献[2]的第22章提到的波形4.
       
        图2所示的波形5A（WF5A）则是用于合成材料飞行器。与此波形有关的参数是开路电压（VOC）和短路电流（ISC）。这些值可以用来校准用于测试的瞬时信号发生器的源阻抗。
       
       
        图2：参考文献[2]的第22章提到的WF5A.
       
        为了确定航空电子设备的测试等级，瞬时雷击信号必须施加到机身上或进行仿真。参考文献[3]描述了在由文献[4]确定的不同位置（区）施加到机身或进行仿真的瞬时信号。这种测试或仿真将产生与每个区相关的电压值。对于彼此连接的航空电子设备来说，需要计算连接电缆通过的各个区的电压总和，然后翻倍产生每个信号线的测试值。
       
        用文献[3]中的工艺施加到机身上以确定航空电子设备测试等级的瞬时雷击电流与WF4具有相同的上升时间和脉冲宽度。合成材料机身会使这种瞬时信号严重失真，而金属机身产生的失真是可以忽略不计的。因此，WF5A在持续时间上要长于WF4.此外，合成材料机身会将来自瞬时雷击信号的能量更多地传递给航空电子设备。为了在测试过程中仿真这一现象，WF5A也具有1Ω的源阻抗，而WF4的源阻抗为5Ω。
       
        机身产生的失真是由合成材料机身的扩散和结构化压降（电流x电阻）耦合引起的。图3是简化了的这些耦合的可视化描述。
       
        航空电子彼此相连，比如无线电和天线。
       
       
        图3：雷击对航空电子设备的间接影响图。在这个例子中，雷击信号从机尾接入，从机头逸出。文献[3]中的测试等级确定过程会改变整个机身上的接入逸出点。蓝色元件是扩散与结构化压降耦合的简化模型。这个模型是文献[5]中的模型的修改版。
       
        在描述结构化压降与扩散耦合时，可以将机身看作一个雷击电流流经的电阻。通过信号线彼此连接的航空电子设备与这个电阻是并联的关系。连接航空电子设备的电缆可以用电感和电容表示。流经电阻的电流代表结构化压降耦合，而电抗分量代表扩散耦合。两种耦合的组合将进一步使波形变长。由于WF5A具有更长的持续时间和更低的源阻抗，因此在相同等级下会有更多的能量传递到航空电子设备。
        GUI安装和启动的用户说明
       
        图形化用户界面（GUI）可以在http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/39650上找到。这种GUI要求在最终用户的计算机上安装R2009b或更新版本的MATLAB.在可供下载的。zip文件中包含两个文件：Lightning_Protection.m和Lightning_Protection.fig.将这些文件提取并保存到MATLAB的工作目录，如图4所示。（非MATLAB用户可以在这里找到单独的可执行指令）
       
       
        图4：MATLAB截屏，显示其工作目录中包含有两个用于GUI的文件。
       
        当文件放进工作目录后，就可以在Lightning_Protection.m上点击鼠标右键并选择“Run File”或在命令行上敲入“Lightning_Protection”运行GUI.图5所示的GUI将显示在屏幕上。
       
       
        图5：GUI的屏幕截图。
       
        操作
       
        “串联电阻”输入是用于抑制电路的串联电阻。选择这种元件的原因有很多，比如：
       
        ●受控阻抗——选择这个值的设计师通常容差很小（ARINC429）
       
        ●最小阻抗——在电源线上很常见，串联电阻将导致正常工作条件下功率的浪费
       
        ●限流器——分立输入端很常见，其中驱动电路是别人设计的，并且规定了工作状态下的电流
       
        还有很多其它场景，但这是一些常见的例子。
       
        抑制器件的钳位电压通常是在分析待保护的下游电路后再作选择的。在选择钳位电压时必须考虑以下几个因素：
       
        ●足够低以保护下游电路
       
        ●足够低以便不妨碍下游电路的激活
       
        ●足够高，在正常工作过程中不会被激活
       
        ●必须能够耐受雷击瞬时信号
       
        GUI给出了1盎司、1.5盎司和2盎司的铜重量选项。铜重量相当于在1x1英尺面积上的覆铜厚度。1盎司等于1.4密耳（mil）的导线厚度。由于接口板密集布满了信号线，设计师对导线宽度会有限制。为了使导线宽度最优化，可能会调整铜的重量（导线厚度）。
       
        设计师必须确定合适的串联电阻、抑制器件的钳位电压和铜重量。所有其它输入都是给定的测试条件。在这些特性之间可能要作出一些折衷。
       
        在键入输入值后，设计师只需按下“Calculate”按钮，输出文本框中就会出现输出结果。然后借助文献[1]中的指南就可以用这些结果选择出合适的元件。如果设计师希望调整某个输入参数，只需修改那个输入参数然后再按下“Calculate”按钮就能更新输出结果。这一功能使得设计师能够在各种串联电阻、钳位电压和铜重量之间迅速作出折衷。
       
        GUI还包含文献[1]中没有考虑到的一个参数——反射线路阻抗。在雷击发生器的校准过程中，用于补偿反射线路阻抗的一种典型技术是增加Voc直到达到Isc.Voc保持在文献[2]允许的10%容差范围内，但一般偏大。这将导致航空电子设备有点过度测试。带有余量的鲁棒性防雷技术应该没有这方面的问题。然而，过度测试可能导致边际设计失效。在防雷设计中应该咨询以前对所用测试装置的校准结果。
        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