不要讓雷電感應浪涌嚇到你

作者：Bharat Shenoy ，力特公司技術市場總監(jiān)，

三、二、一，發(fā)射。隨著飛船飛向太空，你期待著這次最新任務會有哪些發(fā)現(xiàn)，也想知道機組成員在飛行途中會遇到些什么。你要擔心的最后一件事是，你的設計工程師是否采用了合適的電路保護技術。如果你的工程團隊在設計階段采取了正確的預防措施，那么你自不必感到擔心。

在設計太空應用的電路時，為什么電路保護如此重要？

1.因為其關乎生命。航天器及其配套系統(tǒng)的設計必須能夠為機組人員的生命提供保護，因為他們面臨著太空飛行的各種危險和脆弱性。

2.由于電路變得越來越小，所采用的技術也越加復雜。一個大型的航天器實際上是所有的小電路和元件的組合，它的運行也依賴于這些電路和元件的共同工作。因此，保護每個脆弱的電氣部件和數(shù)字電路免受諸如靜電放電和雷電感應浪涌之類的危害是至關重要的。無論大小，一個元件或電路損壞都意味著整個系統(tǒng)的癱瘓，從而影響整個任務的安全性。

歷史的警示

簡單的事件可以對控制航天器的復雜電氣系統(tǒng)造成干擾，發(fā)射于1969年11月14日的阿波羅12號任務就是一個很好的例子。

在發(fā)射后第36秒，雷電擊中阿波羅12號，導致一股巨大的電流通過航天器的外殼，傳導至運載火箭，并通過火箭水槽到達地面（圖1）。結果，發(fā)射控制器失去與機組的遙測通信。雷擊觸發(fā)了過載電路，斷開了服務艙下方一個小盒子中的可控硅整流器（SCR），而服務艙是燃料電池（航天器的主要直流電源）之所在。突然，三個燃料電池均被斷開。同時，瞬時低壓輸入到直流-交流逆變器導致交流欠壓傳感器跳閘。導致交流總線1和2故障燈亮起。影響燃料電池斷開電路中可控硅整流器的瞬變以同樣的方式影響了交流過載電路中的可控硅整流器。

圖1

阿波羅12號升空后不久雷電擊中土星五號火箭和發(fā)射塔。

似乎一次雷擊還不夠糟糕，升空后第52秒又來了一次。這次雷擊導致飛船的慣性測量單元陀螺儀故障，并造成輕微的測量儀器故障。由于飛船的電池供電應急總線還能繼續(xù)運行，機組人員才得以恢復關鍵系統(tǒng)，安全地執(zhí)行他們的任務。

是什么防止了對系統(tǒng)和飛行器造成嚴重的永久性損壞？是發(fā)射逃逸系統(tǒng)、指令艙、服務艙、航天器-登月艙適配器和土星五號慣性單元之間的結構性電聯(lián)接質量。運載火箭中的慣性單元計算機承擔了上升的指導和控制，因為本來在正常情況下應為升空提供支持的指令艙計算機在第一次雷擊中脫機了。由于這臺用于升空指導和控制的冗余計算機是位于運載火箭中的，而不是在指令艙中，避免了中止飛行的需要。

自這次阿波羅任務之后，美國航空航天局啟用了廣泛的監(jiān)控設備，以確保在有可能出現(xiàn)雷電的時間里不會發(fā)射飛行器。如今，美國航空航天局肯尼迪航天中心的39B發(fā)射臺已經過改造，納入了一個包含多個發(fā)射塔的復雜的防雷系統(tǒng)。

如今的電路保護策略

對于今天的電路設計人員來說幸運的是，對雷電感應浪涌進行保護設計時通常不再需要建造巨大的塔了。事實上，電路保護器件越來越小，以適應現(xiàn)代應用中的微型封裝。

幾十年來，力特一直供應著航天器和地面控制系統(tǒng)中重要部分的電路保護元件。在20世紀60年代，力特為美國航空航天局開發(fā)了MICRO和PICO®超小型保險絲，在雙子星和阿波羅太空計劃中得到使用。來看一下今天力特所帶來的其他電路保護器件。

高可靠性微型保險絲

力特為美國航空航天局、其他航天機構和軍事承包商提供262/268/269系列具有高分斷能力的快速動作、高可靠性微型保險絲。這些微型保險絲的作用是為具有印刷電路板的電子、電氣和通訊設備提供保護，這些設備通常處在最極端條件下，直流和交流電路高達400Hz。

TVS二極管

AK系列的TVS二極管（如圖2所示）是專為高能量瞬態(tài)電壓保護應用而設計的。針對交流線路保護中的使用，以及要求苛刻的直流或交流應用，這些軸向引線、高功率瞬態(tài)抑制器都已經過優(yōu)化。這些器件采用力特的返送技術，可以提供比傳統(tǒng)方法（如：硅雪崩二極管（SAD）技術）更優(yōu)越的鉗位性能。它們提供的鉗位電壓要低于雪崩電壓，但要高于額定工作電壓。因此，任何應增強的電流傳導而導致的電壓上升將會被保持在最低限度，以確保最佳的保護級別。

AK系列TVS二極管還具有無耗損機制的優(yōu)勢，更低的泄漏率和對浪涌的快速響應。它們的緊湊的設計也簡化了電路板布局。連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)可選，以創(chuàng)建非常高容量的保護方案。

圖2

與在每次浪涌事件之后性能開始下降的傳統(tǒng)浪涌保護器件模塊不同，AK系列TVS二極管可以快速恢復。

力特的LSP10系列浪涌保護模塊（如圖3所示）為戶外和商用LED照明燈具提供瞬態(tài)過電壓保護。采用力特設計的熱保護壓敏電阻，這些保護模塊具有強大的浪涌電流處理能力。內置的熱脫扣功能針對災難性故障和火災隱患提供的額外的保護，即使是極端情況下（如：壓敏電阻壽命終止或持續(xù)過電壓）。LSP10系列有并聯(lián)和串聯(lián)連接方式可選。使用并聯(lián)連接，指示線可以激活一個LED燈，通知維修人員何時需要對SPD進行更換，以確保燈具持續(xù)得到保護。串聯(lián)連接會切斷燈具的電源，清楚地指示出應該對SPD進行更換。

圖3

LSP10系列浪涌保護模塊。