航空电子设备防雷设计的图形化用户界面介绍

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，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。