航空電子設(shè)備防雷設(shè)計的圖形化用戶界面

引言

參考文獻(xiàn)[1]介紹了一種防雷設(shè)計技術(shù)，這種技術(shù)可以將瞬時雷擊測試過程中元件經(jīng)受的瞬時信號轉(zhuǎn)換為元件的數(shù)據(jù)手冊上標(biāo)明的參考瞬時信號。這樣就能方便地選擇到適合應(yīng)用的元器件，避免設(shè)計過程中的反復(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信號所要求的最小導(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)手冊進(jìn)行比較，從中選出合適的元器件，最終快速設(shè)計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)重的瞬時雷擊信號要求航空電子設(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)手冊提供了基于參考瞬時信號的額定值。這些瞬時信號與暴露在飛行器環(huán)境中的電路遭遇的雷擊瞬時信號是不同的。因此典型的設(shè)計方法是憑經(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，現(xiàn)在簡稱IPC）指南。

然而，這些指南是為連續(xù)電流開發(fā)的，因此導(dǎo)線寬度會比耐受瞬時電流的要求寬很多。在經(jīng)過初步設(shè)計后，需要搭建和測試原型。然后對測試結(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)”過程會拖延進(jìn)度，增加對資源的使用。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試的雷擊測試瞬時信號。圖1所示的波形4（WF4）是針對金屬飛行器的瞬時測試信號。


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)用于測試的瞬時信號發(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)備的測試等級，瞬時雷擊信號必須施加到機(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)行仿真的瞬時信號。這種測試或仿真將產(chǎn)生與每個區(qū)相關(guān)的電壓值。對于彼此連接的航空電子設(shè)備來說，需要計算連接電纜通過的各個區(qū)的電壓總和，然后翻倍產(chǎn)生每個信號線的測試值。

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)備測試等級的瞬時雷擊電流與WF4具有相同的上升時間和脈沖寬度。合成材料機(jī)身會使這種瞬時信號嚴(yán)重失真，而金屬機(jī)身產(chǎn)生的失真是可以忽略不計的。因此，WF5A在持續(xù)時間上要長于WF4.此外，合成材料機(jī)身會將來自瞬時雷擊信號的能量更多地傳遞給航空電子設(shè)備。為了在測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：雷擊對航空電子設(shè)備的間接影響圖。在這個例子中，雷擊信號從機(jī)尾接入，從機(jī)頭逸出。文獻(xiàn)[3]中的測試等級確定過程會改變整個機(jī)身上的接入逸出點(diǎn)。藍(lán)色元件是擴(kuò)散與結(jié)構(gòu)化壓降耦合的簡化模型。這個模型是文獻(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，可以將機(jī)身看作一個雷擊電流流經(jīng)的電阻。通過信號線彼此連接的航空電子設(shè)備與這個電阻是并聯(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)時間和更低的源阻抗，因此在相同等級下會有更多的能量傳遞到航空電子設(shè)備。

GUI安裝和啟動的用戶說明

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——選擇這個值的設(shè)計師通常容差很小（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)動電路是別人設(shè)計的，并且規(guī)定了工作狀態(tài)下的電流

還有很多其它場景，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。在選擇鉗位電壓時必須考慮以下幾個因素：

●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被激活

●必須能夠耐受雷擊瞬時信號

GUI給出了1盎司、1.5盎司和2盎司的銅重量選項。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線，設(shè)計師對導(dǎo)線寬度會有限制。為了使導(dǎo)線寬度最優(yōu)化，可能會調(diào)整銅的重量（導(dǎo)線厚度）。

設(shè)計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試條件。在這些特性之間可能要作出一些折衷。