航空電子設備防雷設計的圖形化用戶(hù)界面

引言

參考文獻[1]介紹了一種防雷設計技術(shù)，這種技術(shù)可以將瞬時(shí)雷擊測試過(guò)程中元件經(jīng)受的瞬時(shí)信號轉換為元件的數據手冊上標明的參考瞬時(shí)信號。這樣就能方便地選擇到適合應用的元器件，避免設計過(guò)程中的反復試驗過(guò)程。

另外，參考文獻[1]還介紹了用于確定耐受瞬時(shí)信號所要求的最小導線(xiàn)寬度的一種技術(shù)。本文將介紹一種免費的圖形化用戶(hù)界面（GUI），可用于完成參考文獻[1]中提到的所有計算并輸出結果。然后我們可以將這些結果與數據手冊進(jìn)行比較，從中選出合適的元器件，最終快速設計出極具魯棒性的防雷保護電路。

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)制造機身。這種改變的副作用是增加了機身上受到的雷擊對飛行器上使用的電子設備（航空電子設備）的間接影響程度。更嚴重的瞬時(shí)雷擊信號要求航空電子設備的接口具有更高魯棒性的瞬態(tài)保護功能。更強大的保護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備供應商希望保持現有設備的外形尺寸不變。因此必須仔細設計附加的防雷電路，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據手冊提供了基于參考瞬時(shí)信號的額定值。這些瞬時(shí)信號與暴露在飛行器環(huán)境中的電路遭遇的雷擊瞬時(shí)信號是不同的。因此典型的設計方法是憑經(jīng)驗選擇元件。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 )，現在簡(jiǎn)稱(chēng)IPC）指南。

然而，這些指南是為連續電流開(kāi)發(fā)的，因此導線(xiàn)寬度會(huì )比耐受瞬時(shí)電流的要求寬很多。在經(jīng)過(guò)初步設計后，需要搭建和測試原型。然后對測試結果進(jìn)行分析，確定電路中使用的器件和導線(xiàn)寬度是否合適。這種“反復試驗”過(guò)程會(huì )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(hù)界面（GUI）可以防止這些拖延。

參考文獻[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(shí)信號。圖1所示的波形4（WF4）是針對金屬飛行器的瞬時(shí)測試信號。


圖1：參考文獻[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)的參數是開(kāi)路電壓（VOC）和短路電流（ISC）。這些值可以用來(lái)校準用于測試的瞬時(shí)信號發(fā)生器的源阻抗。


圖2：參考文獻[2]的第22章提到的WF5A.

為了確定航空電子設備的測試等級，瞬時(shí)雷擊信號必須施加到機身上或進(jìn)行仿真。參考文獻[3]描述了在由文獻[4]確定的不同位置（區）施加到機身或進(jìn)行仿真的瞬時(shí)信號。這種測試或仿真將產(chǎn)生與每個(gè)區相關(guān)的電壓值。對于彼此連接的航空電子設備來(lái)說(shuō)，需要計算連接電纜通過(guò)的各個(gè)區的電壓總和，然后翻倍產(chǎn)生每個(gè)信號線(xiàn)的測試值。

用文獻[3]中的工藝施加到機身上以確定航空電子設備測試等級的瞬時(shí)雷擊電流與WF4具有相同的上升時(shí)間和脈沖寬度。合成材料機身會(huì )使這種瞬時(shí)信號嚴重失真，而金屬機身產(chǎn)生的失真是可以忽略不計的。因此，WF5A在持續時(shí)間上要長(cháng)于WF4.此外，合成材料機身會(huì )將來(lái)自瞬時(shí)雷擊信號的能量更多地傳遞給航空電子設備。為了在測試過(guò)程中仿真這一現象，WF5A也具有1Ω的源阻抗，而WF4的源阻抗為5Ω。

機身產(chǎn)生的失真是由合成材料機身的擴散和結構化壓降（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：雷擊對航空電子設備的間接影響圖。在這個(gè)例子中，雷擊信號從機尾接入，從機頭逸出。文獻[3]中的測試等級確定過(guò)程會(huì )改變整個(gè)機身上的接入逸出點(diǎn)。藍色元件是擴散與結構化壓降耦合的簡(jiǎn)化模型。這個(gè)模型是文獻[5]中的模型的修改版。

在描述結構化壓降與擴散耦合時(shí)，可以將機身看作一個(gè)雷擊電流流經(jīng)的電阻。通過(guò)信號線(xiàn)彼此連接的航空電子設備與這個(gè)電阻是并聯(lián)的關(guān)系。連接航空電子設備的電纜可以用電感和電容表示。流經(jīng)電阻的電流代表結構化壓降耦合，而電抗分量代表擴散耦合。兩種耦合的組合將進(jìn)一步使波形變長(cháng)。由于WF5A具有更長(cháng)的持續時(shí)間和更低的源阻抗，因此在相同等級下會(huì )有更多的能量傳遞到航空電子設備。

GUI安裝和啟動(dòng)的用戶(hù)說(shuō)明

圖形化用戶(hù)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(hù)的計算機上安裝R2009b或更新版本的MATLAB.在可供下載的。zip文件中包含兩個(gè)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(hù)可以在這里找到單獨的可執行指令）


圖4：MATLAB截屏，顯示其工作目錄中包含有兩個(gè)用于GUI的文件。

當文件放進(jìn)工作目錄后，就可以在Lightning_Protection.m上點(diǎn)擊鼠標右鍵并選擇“Run File”或在命令行上敲入“Lightning_Protection”運行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(gè)值的設計師通常容差很?。ˋRINC429）

●最小阻抗——在電源線(xiàn)上很常見(jiàn)，串聯(lián)電阻將導致正常工作條件下功率的浪費

●限流器——分立輸入端很常見(jiàn)，其中驅動(dòng)電路是別人設計的，并且規定了工作狀態(tài)下的電流

還有很多其它場(chǎng)景，但這是一些常見(jiàn)的例子。

抑制器件的鉗位電壓通常是在分析待保護的下游電路后再作選擇的。在選擇鉗位電壓時(shí)必須考慮以下幾個(gè)因素：

●足夠低以保護下游電路

●足夠低以便不妨礙下游電路的激活

●足夠高，在正常工作過(guò)程中不會(huì )被激活

●必須能夠耐受雷擊瞬時(shí)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）的導線(xiàn)厚度。由于接口板密集布滿(mǎn)了信號線(xiàn)，設計師對導線(xiàn)寬度會(huì )有限制。為了使導線(xiàn)寬度最優(yōu)化，可能會(huì )調整銅的重量（導線(xiàn)厚度）。

設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。