计算机雷电电磁防护技术探究论文
空间雷电电磁脉冲(LEMP)损害的往往是计算机设备的核心器件,会造成业务网络的中断、用户数据丢失,给用户造成很大的经济与信誉损失。运用电磁兼容原理可以对计算机设备进行有效的防护。以下是学习啦小编为大家精心准备的：计算机雷电电磁防护技术探究相关论文。内容仅供参考，欢迎阅读!
计算机雷电电磁防护技术探究全文如下：
摘 要： 为了研究雷电对计算机的危害，并保护计算机免受雷电危害，在此从雷电的形成原因，机载计算机有关雷电电磁防护的要求、等级和标准方面进行了探索。通过理论分析和试验验证，设计了计算机各种类型防护接口电路的典型拓扑，介绍了雷电电磁防护器件的选择依据，获得了机载计算机的雷电电磁防护方法。
关键词： 机载计算机; 雷击; 雷电电磁防护; TVS
0 引 言
现代飞机都载有各种功能的计算机，而机载计算机在生产制造、飞行、维护和整个寿命周期中会遇到各种各样复杂的电磁使用环境，包括电磁干扰、高强辐射场、闪电雷击、静电等危害。作为飞机上使用的计算机，要求在各种电磁环境下都能够可靠的正常工作，完成既定的飞行任务。因此，机载计算机的雷电电磁防护技术成为机载计算机研究设计的重要内容。
1 雷电的形成和危害
雷击一般分为直击雷击和感应雷击。
直击雷击是指雷电直接击在建筑物、构架、飞行器上，由于电效应、热效应和机械效应等混合力作用，直接摧毁建筑物、飞行器以及引起人员伤亡等。由于直击雷的电效应，有可能使飞机或机载计算机遭受浪涌过电压而损坏。
每次雷电的产生其实是大量的正和负电离子互相中和的放电现象。这种现象可以透过云层内部、云块与云块之间、云块与空气、云块与大地的瞬间放电中和形成，当然，就直击雷的破坏性而言，莫过于云块与地上的物体发生放电所造成的毁灭性破坏[1]。感应雷击是指雷云之间或雷云对地之间的放电而在附件的导体上产生感应电压，该电压通过通过导体传送至设备，间接摧毁微电子设备。
感应雷击对微电子设备，特别是通信设备和电子计算机网络系统的危害最大，据资料显示，微电子设备遭雷击损坏，80%以上是由感应雷引起的[2]。
感应雷击对设备造成的破坏性后果一般表现在：
(1)计算机内传输或存储的信号或数据，不论模拟或数字的都会受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪;
(2)即使重复受到较小幅度的雷电冲击，元器件虽不会马上烧毁，但却已经降低其性能及寿命;
(3)如果情况比较严重的，电子设备的电路板及元件便当即烧毁。
2 雷电防护要求
飞机上使用的计算机都是安装在飞机机体内的，因此，在考虑计算机遭受雷击是只需要考虑感应雷击的情况，相应的雷电电磁防护设计也主要针对感应雷做相应的防护。
国际上针对机载计算机的雷电防护的试验条件、过程执行和要求，一般参考波音公司的RTCA/DO?160E《Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne》标准。
国内对机载计算机的感应雷电防护要求主要参考GJB2639?1996《军用飞机雷电防护》和GJB3567?1999《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》， RTCA/DO?160E标准中，感应雷电防护的试验叫做闪电感应瞬变敏感度试验，包括损伤容限试验和功能受扰试验。损伤容限试验的方法是通过对被测计算机连接器的插针注入试验或电缆束感应试验来验证其损伤抗扰度。
3 机载计算机的雷电电磁防护原理
雷电电磁防护一般采用将绝大部分雷电流直接引入地下泄散和限制被保护设备上雷电过电压幅值两种方案，两种方案应该相结合使用。飞机上一般都设有放电刷，原理类似于建筑上的避雷针，可以将大部分雷击产生的能量释放到大气中，然后再在各个设备上设置电涌保护器(SPD)，来保护电子设备，电涌保护器电路一般包括放电管和瞬态抑制器或者压敏电阻，放电管可以将浪涌能量大部分泄放到防雷电的“地”上，剩余的能量由瞬态抑制器或者压敏电阻吸收[5]。系统中，按照接“地”目的和作用的不同，分为功能性接地和保护性接地。
保护性接地包括：防电击接地、防雷接地、防静电接地和防电蚀接地。其中防雷接地的作用是为了将雷电或浪涌导入大地，防止大电流使设备受到电击而损坏。功能性接地目的是为了稳定电路的电位，防止外来干扰。各种接地方式各有优缺点。独立接地可有效地防止信号之间的相互干扰，但当遭遇雷击时，容易造成不同的接地点地电位不一样，从而引起地电位反击，使设备工作不正常或损坏;综合接地能够有效地防止地电位反击，但又会引起不同信号之间的干扰。因此应综合考虑系统的接地问题。
4 机载计算机的雷电电磁防护方法
瞬态电压抑制器简称TVS管，是一种限压保护器件，它的正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流，由原来的反向漏电流，变为反向击穿电流，其两级呈现的电压由额定反向关断电压上升到击穿电压，TVS被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下，而后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的整个过程。TVS的响应时间可以达到ps级，是限压型浪涌保护器件中最快的，用于电子电路的过压保护时其响应速度都可满足要求[6]。
目前的技术水平是，TVS管的功率最大可以做到50 kW，即功率小于50 kW的电路防护可以选用TVS管，该功率已经能够满足绝大部分的计算机的雷电电磁防护等级。IUT指出通信线路上的感应雷电流峰值不会大于125 A，在此电流量级上，TVS管完全能够胜任，而且，TVS管的极间电容很小，不会影响通信线的速率。电源线上的感应雷电流峰值最大可到10 kA，根据防护电平等级相应的TVS管。选择的参数主要包括反向击穿电压、最大箝位电压、瞬间功率、结电容、响应时间等。根据计算机在飞机上安装的位置以及该位置可能受到雷击的电压水平和电流大小、接口电缆的敷设区域，机载计算机雷电电磁防护等级选择RTCA/DO?160E标准中的相应电平等级。计算机的机箱都是金属材料，一般会进行良好接地，机箱能够对计算机内部电路提供良好的屏蔽和防护，因此，机载计算机的雷电电磁防护主要是对通过电缆输入输出接口以及电源线进行防护。
TVS管的参数选择需要考虑被保护线路的稳态工作电压、箝制电压、脉冲峰值电流、峰值功率和脉冲能量。TVS管有双向和单向之分，根据被保护线路上的电压正负进行选择，由于雷击时正负电压都可能出现，因此，建议选用双向TVS管。实际上：器件手册中的参数是在温度为25 ℃时测量的，考虑到计算机的实际工作环境和器件发热等因素，一般应该进行降额设计，具体根据系统要求进行降额设计。降额越多，则电路可靠性越高，但相应的费用也越高。TVS管的故障模式主要是短路，但当通过的过电流太大时，也可能造成TVS管被炸裂而开路。TVS管的寿命相对较长。
在实际使用环境中，机载计算机往往会受到多次雷电浪涌电压/电流或脉冲群的冲击，导致在短时间内积累的热量超过器件的脉冲能量，从而烧毁防护器件，这种情况下，RTCA/DO?160E是通过闪电感应瞬变敏感度试验中功能受扰试验的波形和电平来模拟实际情况，因此，即使防护器件满足单次冲击的要求，还必须根据用户手册中给出的有关器件对多次冲击及脉冲群的试验情况选用，最终通过试验验证所选择的防护器件是否满足设计要求。
5 结 语
雷电电磁防护是集电子电路设计、集成电路和雷电试验为一体的综合性科学，设计人员必须根据被保护计算机的电路特点和接口信号电缆的敷设区域可能遭受的雷击强度，选择雷电电磁防护电路的拓扑结构和器件类型，有时甚至需要将几种雷电防护电路和器件组合起来分级防护，以达到最优效果，同时要注意降额设计，所有的电路设计，最终都必须通过相关的试验进行验证。
参考文献
[1] 周哲.雷电防护技术与发展[J].科技创新导报，2009(8)：100.
[2] 区建昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京：电子工业出版社，2003.
[3] 杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[4] RTCA. RTCA DO?160E?2004 environmental conditions and test procedures for airborne equipment [S]. NW： RTCA， 2004.
[5] 林旭东，黄志成.通信设施雷电过电压防护措施[J].中国科技信息，2010(3)：165?166.
[6] 赵喜军，邹伟华，王小进.地点位反击的机理及继电器保护产品的防雷设计[J].船电技术，2010(3)：60?62.
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