計(jì)算機(jī)雷電電磁防護(hù)技術(shù)探究論文
空間雷電電磁脈沖(LEMP)損害的往往是計(jì)算機(jī)設(shè)備的核心器件,會(huì)造成業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的中斷、用戶數(shù)據(jù)丟失,給用戶造成很大的經(jīng)濟(jì)與信譽(yù)損失。運(yùn)用電磁兼容原理可以對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行有效的防護(hù)。以下是學(xué)習(xí)啦小編為大家精心準(zhǔn)備的：計(jì)算機(jī)雷電電磁防護(hù)技術(shù)探究相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
計(jì)算機(jī)雷電電磁防護(hù)技術(shù)探究全文如下：
摘 要： 為了研究雷電對(duì)計(jì)算機(jī)的危害，并保護(hù)計(jì)算機(jī)免受雷電危害，在此從雷電的形成原因，機(jī)載計(jì)算機(jī)有關(guān)雷電電磁防護(hù)的要求、等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行了探索。通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)各種類型防護(hù)接口電路的典型拓?fù)?，介紹了雷電電磁防護(hù)器件的選擇依據(jù)，獲得了機(jī)載計(jì)算機(jī)的雷電電磁防護(hù)方法。
關(guān)鍵詞： 機(jī)載計(jì)算機(jī); 雷擊; 雷電電磁防護(hù); TVS
0 引 言
現(xiàn)代飛機(jī)都載有各種功能的計(jì)算機(jī)，而機(jī)載計(jì)算機(jī)在生產(chǎn)制造、飛行、維護(hù)和整個(gè)壽命周期中會(huì)遇到各種各樣復(fù)雜的電磁使用環(huán)境，包括電磁干擾、高強(qiáng)輻射場(chǎng)、閃電雷擊、靜電等危害。作為飛機(jī)上使用的計(jì)算機(jī)，要求在各種電磁環(huán)境下都能夠可靠的正常工作，完成既定的飛行任務(wù)。因此，機(jī)載計(jì)算機(jī)的雷電電磁防護(hù)技術(shù)成為機(jī)載計(jì)算機(jī)研究設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
1 雷電的形成和危害
雷擊一般分為直擊雷擊和感應(yīng)雷擊。
直擊雷擊是指雷電直接擊在建筑物、構(gòu)架、飛行器上，由于電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等混合力作用，直接摧毀建筑物、飛行器以及引起人員傷亡等。由于直擊雷的電效應(yīng)，有可能使飛機(jī)或機(jī)載計(jì)算機(jī)遭受浪涌過電壓而損壞。
每次雷電的產(chǎn)生其實(shí)是大量的正和負(fù)電離子互相中和的放電現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以透過云層內(nèi)部、云塊與云塊之間、云塊與空氣、云塊與大地的瞬間放電中和形成，當(dāng)然，就直擊雷的破壞性而言，莫過于云塊與地上的物體發(fā)生放電所造成的毀滅性破壞[1]。感應(yīng)雷擊是指雷云之間或雷云對(duì)地之間的放電而在附件的導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓通過通過導(dǎo)體傳送至設(shè)備，間接摧毀微電子設(shè)備。
感應(yīng)雷擊對(duì)微電子設(shè)備，特別是通信設(shè)備和電子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的危害最大，據(jù)資料顯示，微電子設(shè)備遭雷擊損壞，80%以上是由感應(yīng)雷引起的[2]。
感應(yīng)雷擊對(duì)設(shè)備造成的破壞性后果一般表現(xiàn)在：
(1)計(jì)算機(jī)內(nèi)傳輸或存儲(chǔ)的信號(hào)或數(shù)據(jù)，不論模擬或數(shù)字的都會(huì)受到干擾或丟失，甚至使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓;
(2)即使重復(fù)受到較小幅度的雷電沖擊，元器件雖不會(huì)馬上燒毀，但卻已經(jīng)降低其性能及壽命;
(3)如果情況比較嚴(yán)重的，電子設(shè)備的電路板及元件便當(dāng)即燒毀。
2 雷電防護(hù)要求
飛機(jī)上使用的計(jì)算機(jī)都是安裝在飛機(jī)機(jī)體內(nèi)的，因此，在考慮計(jì)算機(jī)遭受雷擊是只需要考慮感應(yīng)雷擊的情況，相應(yīng)的雷電電磁防護(hù)設(shè)計(jì)也主要針對(duì)感應(yīng)雷做相應(yīng)的防護(hù)。
國(guó)際上針對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)的雷電防護(hù)的試驗(yàn)條件、過程執(zhí)行和要求，一般參考波音公司的RTCA/DO?160E《Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne》標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)的感應(yīng)雷電防護(hù)要求主要參考GJB2639?1996《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)》和GJB3567?1999《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》， RTCA/DO?160E標(biāo)準(zhǔn)中，感應(yīng)雷電防護(hù)的試驗(yàn)叫做閃電感應(yīng)瞬變敏感度試驗(yàn)，包括損傷容限試驗(yàn)和功能受擾試驗(yàn)。損傷容限試驗(yàn)的方法是通過對(duì)被測(cè)計(jì)算機(jī)連接器的插針注入試驗(yàn)或電纜束感應(yīng)試驗(yàn)來驗(yàn)證其損傷抗擾度。
3 機(jī)載計(jì)算機(jī)的雷電電磁防護(hù)原理
雷電電磁防護(hù)一般采用將絕大部分雷電流直接引入地下泄散和限制被保護(hù)設(shè)備上雷電過電壓幅值兩種方案，兩種方案應(yīng)該相結(jié)合使用。飛機(jī)上一般都設(shè)有放電刷，原理類似于建筑上的避雷針，可以將大部分雷擊產(chǎn)生的能量釋放到大氣中，然后再在各個(gè)設(shè)備上設(shè)置電涌保護(hù)器(SPD)，來保護(hù)電子設(shè)備，電涌保護(hù)器電路一般包括放電管和瞬態(tài)抑制器或者壓敏電阻，放電管可以將浪涌能量大部分泄放到防雷電的“地”上，剩余的能量由瞬態(tài)抑制器或者壓敏電阻吸收[5]。系統(tǒng)中，按照接“地”目的和作用的不同，分為功能性接地和保護(hù)性接地。
保護(hù)性接地包括：防電擊接地、防雷接地、防靜電接地和防電蝕接地。其中防雷接地的作用是為了將雷電或浪涌導(dǎo)入大地，防止大電流使設(shè)備受到電擊而損壞。功能性接地目的是為了穩(wěn)定電路的電位，防止外來干擾。各種接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。獨(dú)立接地可有效地防止信號(hào)之間的相互干擾，但當(dāng)遭遇雷擊時(shí)，容易造成不同的接地點(diǎn)地電位不一樣，從而引起地電位反擊，使設(shè)備工作不正?；驌p壞;綜合接地能夠有效地防止地電位反擊，但又會(huì)引起不同信號(hào)之間的干擾。因此應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的接地問題。
4 機(jī)載計(jì)算機(jī)的雷電電磁防護(hù)方法
瞬態(tài)電壓抑制器簡(jiǎn)稱TVS管，是一種限壓保護(hù)器件，它的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過TVS的電流，由原來的反向漏電流，變?yōu)榉聪驌舸╇娏?，其兩?jí)呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓上升到擊穿電壓，TVS被擊穿。隨著峰值脈沖電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流。在其兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下，而后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的整個(gè)過程。TVS的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，是限壓型浪涌保護(hù)器件中最快的，用于電子電路的過壓保護(hù)時(shí)其響應(yīng)速度都可滿足要求[6]。
目前的技術(shù)水平是，TVS管的功率最大可以做到50 kW，即功率小于50 kW的電路防護(hù)可以選用TVS管，該功率已經(jīng)能夠滿足絕大部分的計(jì)算機(jī)的雷電電磁防護(hù)等級(jí)。IUT指出通信線路上的感應(yīng)雷電流峰值不會(huì)大于125 A，在此電流量級(jí)上，TVS管完全能夠勝任，而且，TVS管的極間電容很小，不會(huì)影響通信線的速率。電源線上的感應(yīng)雷電流峰值最大可到10 kA，根據(jù)防護(hù)電平等級(jí)相應(yīng)的TVS管。選擇的參數(shù)主要包括反向擊穿電壓、最大箝位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。根據(jù)計(jì)算機(jī)在飛機(jī)上安裝的位置以及該位置可能受到雷擊的電壓水平和電流大小、接口電纜的敷設(shè)區(qū)域，機(jī)載計(jì)算機(jī)雷電電磁防護(hù)等級(jí)選擇RTCA/DO?160E標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)電平等級(jí)。計(jì)算機(jī)的機(jī)箱都是金屬材料，一般會(huì)進(jìn)行良好接地，機(jī)箱能夠?qū)τ?jì)算機(jī)內(nèi)部電路提供良好的屏蔽和防護(hù)，因此，機(jī)載計(jì)算機(jī)的雷電電磁防護(hù)主要是對(duì)通過電纜輸入輸出接口以及電源線進(jìn)行防護(hù)。
TVS管的參數(shù)選擇需要考慮被保護(hù)線路的穩(wěn)態(tài)工作電壓、箝制電壓、脈沖峰值電流、峰值功率和脈沖能量。TVS管有雙向和單向之分，根據(jù)被保護(hù)線路上的電壓正負(fù)進(jìn)行選擇，由于雷擊時(shí)正負(fù)電壓都可能出現(xiàn)，因此，建議選用雙向TVS管。實(shí)際上：器件手冊(cè)中的參數(shù)是在溫度為25 ℃時(shí)測(cè)量的，考慮到計(jì)算機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境和器件發(fā)熱等因素，一般應(yīng)該進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，具體根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。降額越多，則電路可靠性越高，但相應(yīng)的費(fèi)用也越高。TVS管的故障模式主要是短路，但當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管的壽命相對(duì)較長(zhǎng)。
在實(shí)際使用環(huán)境中，機(jī)載計(jì)算機(jī)往往會(huì)受到多次雷電浪涌電壓/電流或脈沖群的沖擊，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)積累的熱量超過器件的脈沖能量，從而燒毀防護(hù)器件，這種情況下，RTCA/DO?160E是通過閃電感應(yīng)瞬變敏感度試驗(yàn)中功能受擾試驗(yàn)的波形和電平來模擬實(shí)際情況，因此，即使防護(hù)器件滿足單次沖擊的要求，還必須根據(jù)用戶手冊(cè)中給出的有關(guān)器件對(duì)多次沖擊及脈沖群的試驗(yàn)情況選用，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證所選擇的防護(hù)器件是否滿足設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié) 語
雷電電磁防護(hù)是集電子電路設(shè)計(jì)、集成電路和雷電試驗(yàn)為一體的綜合性科學(xué)，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)被保護(hù)計(jì)算機(jī)的電路特點(diǎn)和接口信號(hào)電纜的敷設(shè)區(qū)域可能遭受的雷擊強(qiáng)度，選擇雷電電磁防護(hù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件類型，有時(shí)甚至需要將幾種雷電防護(hù)電路和器件組合起來分級(jí)防護(hù)，以達(dá)到最優(yōu)效果，同時(shí)要注意降額設(shè)計(jì)，所有的電路設(shè)計(jì)，最終都必須通過相關(guān)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
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