航空電子應用中通信接口的防雷保護
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簡介
噴氣客機遭受雷擊是常見現(xiàn)象，大約每1000飛行小時就會發(fā)生一次。DO-160G標準《機載設備的環(huán)境條件和試驗程序》是航空電子硬件的環(huán)境測試標準。許多飛機制造商將DO-160G第22節(jié)“雷擊感應瞬態(tài)敏感性”指定為關鍵系統(tǒng)（如導航、雷達、通信、發(fā)動機控制、熱和空氣控制等）的要求。飛機機身、機翼和機尾飛行控制系統(tǒng)、翼尖、尾翼頂端、發(fā)動機艙和起落架是最有可能被雷電擊中的區(qū)域。
魯棒的通信端口
現(xiàn)代航空器采用電傳操縱系統(tǒng)進行飛行控制。電傳操縱意味著飛控計算機輸入或飛行員手動輸入以電氣方式傳輸?shù)娇刂骑w控執(zhí)行器的伺服電機。這些飛控系統(tǒng)的通信接口可以在RS-485物理層上實現(xiàn)。飛機發(fā)動機管理控制的通信接口也可以利用RS-485物理層實現(xiàn)。飛機發(fā)動機上安裝的全權數(shù)字式發(fā)動機控制(FADEC)系統(tǒng)負責監(jiān)控溫度、壓力、燃油流量及其他參數(shù)。
本應用筆記介紹ADI公司用于軍事及航空航天(MILA)電子設備的魯棒RS-485收發(fā)器。ADM2795E-EP 是一款3 V到5.5 V RS-485收發(fā)器，具有增強的魯棒性，適用于傳感器、飛控執(zhí)行器和發(fā)動機控制，在MILA航空電子等惡劣應用環(huán)境中工作時可減少系統(tǒng)故障。
環(huán)境要求
雷電的間接影響
DO-160G第22節(jié)防雷標準模擬了直接雷擊浪涌通過飛機機身產(chǎn)生的磁場在航空電子設備中引起的瞬態(tài)電壓和電流。
表1顯示對于波形3和波形4/波形1，商業(yè)飛機通常需要DO-160G第22節(jié)的1級到4級防雷保護。飛機設備劃分為三類區(qū)域，每類區(qū)域都有相關的電磁兼容性(EMC)環(huán)境。最惡劣的EMC環(huán)境位于A類和B類區(qū)域，這是飛機中無環(huán)境控制的區(qū)域。
飛控電子設備位于A類和B類區(qū)域。這些區(qū)域的EMC環(huán)境惡劣，要求達到DO-160G第22節(jié)防雷級別3或級別4。
MILA環(huán)境的可靠性
ADI公司提供豐富的增強產(chǎn)品(EP)系列以支持軍事、航空航天和防務應用。ADM2795E-EP是一款3 V到5.5 V RS-485收發(fā)器，具有增強的魯棒性，適用于傳感器、飛控執(zhí)行器和發(fā)動機控制，在MILA航空電子等惡劣應用環(huán)境中工作時可減少系統(tǒng)故障。ADM2795E-EP具有如下重要特性：
● 支持防務和航空航天應用（AQEC標準認證）。
● 工作溫度范圍：-55℃至+125℃。
● 引線框：為減輕錫須問題，ADM2795E-EP采用鎳/鈀/金(NiPdAu)引線框表面處理。
● 生產(chǎn)：通過單處理流程基線制造的增強產(chǎn)品。
表1 DO-160G第22節(jié)針對商業(yè)飛機的典型防雷要求
設備類別 | 輸入/輸出類別 | DO-160G 波形4/波形1 | DO-160G 波形3 | DO-160G級別 |
A類： 關鍵設備 | 電源 信號：裸露區(qū)域 | 750 V、150 A | 1500 V、60 A | 4 |
750 V、150 A | 1500 V、60 A | 4 | ||
B類： 基本且危險的設備 | 信號：外部安裝（機身、機翼） 信號：機腹整流罩（飛機下表面）、 雷達天線罩 | 750 V、150 A | 1500 V、60 A | 4 |
300 V、60 A | 600 V、24 A | 3 | ||
C類： 基本且重要的設備 | 信號：加壓區(qū)域 （兩個設備艙之間或多層飛機上兩層之間的連接） 信號：電子艙 （多層飛機中的同一層） | 125 V、25 A | 250 V、10 A | 2 |
不適用 | 100 V、4 A | 1 |
具有增強DO-160G EMC魯棒性的RS-485
ADM2795E-EP在RS-485總線引腳上集成了經(jīng)過全面認證的DO-160G EMC保護，可提供第22節(jié)所述的防雷保護。ADM2795E-EP還提供第25節(jié)所述的±15 kV靜電放電(ESD)氣隙放電保護。對于第22節(jié)的防雷要求，ADM2795E-EP可防范波形3、波形4/波形1和波形5A：對GND2的測試，使用33 Ω或47 Ω限流電阻時可達到4級要求；對GND1的測試，隔離柵上可達到4級要求。
經(jīng)認證的DO-160G EMC保護
表2詳細列出了開路電壓(VOC)和短路電流(ISC)，這是DO-160G第22節(jié)雷擊感應瞬態(tài)敏感性標準針對引腳注入測試的波形3、波形4/波形1和波形5A的規(guī)定。DO-160G 4級測試的峰值電流遠大于標準工業(yè)浪涌IEC 61000-4-5峰值電流。DO-160G標準的波形形狀和上升/下降時間顯著長于IEC 61000-4-5標準的相關規(guī)定，如圖2所示。DO-160G第22節(jié)防雷標準涉及的能量非常高，所以ADM2795E-EP使用了外部33 Ω或47 Ω的A引腳和B引腳總線限流電阻來進行相對于GND2的測試。除了ADM2795E-EP集成EMC保護電路以外，還需要這些電阻。但是，當相對于GND1進行測試時，無需限流電阻。ADM2795E-EP iCoupler隔離技術保護器件免受這些極端瞬變影響。
圖2 DO-160G第22節(jié)波形1和波形5A及IEC61000-4-5浪涌波形
DO-160G ADM2795E-EP 測試詳情
對于RS-485總線側(GND2)測試，A和B總線引腳上均額外增加一個33 ?或47 Ω限流電阻。DO-160G第22節(jié)測試一次在一個引腳上執(zhí)行；測試不是在共模下進行。表3和表4是ADM2795E-EP認證測試結果摘要。
表2 DO-160G第22節(jié)引腳注入級別4和級別3與IEC 61000-4-5雷擊級別4和級別3的比較
| 級別 | 4 | 3 |
| DO-160G波形3 | 1500V、60 A | 600V、24 A |
DO-160G波形4 /波形1 | 750V、150 A | 300V、60 A |
| DO-160G波形5A | 750V、750 A | 300V、300 A |
| IEC 61000-4-5 | 4000V、49 A | 2000V、24.5 A |
表3 DO-160G第22節(jié)引腳注入級別4認證測試結果
| 相對于GNDx測試 | GND1 | GND2 |
A和B引腳上的限流電阻 | 無 | 47?或33 ? |
DO-160G波形3； 1500V、60A | 通過 | 使用47?時通過 |
DO-160G波形4/ 波形1；750V、150 A | 使用33?時通過 | |
DO-160波形5A； 750V、750A |
表4 DO-160G第22節(jié)引腳注入級別3認證測試結果
| 相對于GNDx測試 | GND1 | GND2 |
| A和B引腳上的限流電阻 | 無 | 33? |
DO-160G波形3； 600 V、24 A | 通過 | |
DO-160G波形4/波形1； 300 V、60 A | ||
DO-160波形5A； 300 V、300 A | ||
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