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摘要：本文主要介绍军用机载电子设备的雷电防护要求、TVS二极管的工作原理及主要参数，并根据用户要求，从参数设计、结构设计两方面对防雷连接器设计进行阐述，最终设计出满足用户要求的防雷电连接器。
关键词： 雷电间接效应、雷电防护、瞬态电压抑制二极管（TVS二极管）、连接器
引言
军用飞机在飞行过程中，经常会遭受雷电袭击，而雷电产生的的巨大电磁波能量会对机载电子设备产生影响，甚至损坏设备上的电子元器件，给飞行带来安全隐患[1]，因此，通常情况下对机载设备均有雷电防护要求。连接器作为设备的接口部分，是最先或最易受到雷电影响的零部件，若在连接器上集成了雷电防护功能，不仅能有效保护设备内部电子元器件免受雷电损伤，还能将系统的防雷功能前移至接口部分，为系统设计预留出更大的空间，给系统设计带来极大的便利。
本文介绍的防雷连接器是根据某用户的需求而设计，用户具体要求如下：
1）在常规JY27656E11B35PHN连接器基础上改型，增加防雷功能，但接口尺寸不变;
2）连接器各孔位的工作电压为±12VDC;
3）雷电间接效应考核试验等级：A4;
4）最高工作温度：85℃。
1 雷电防护要求
军用机载电子設备雷电防护主要依据《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》，可分为直接雷电防护和间接雷电防护。间接雷电防护试验主要参考《RTCA/DO-160G 机载设备环境条件和试验程序第22章 雷电感应瞬态敏感度》。
根据RTCA/DO-160G规定，间接雷电防护试验主要考核损伤容限试验，其方法是通过对被测电子设备接插件注入一定波形、一定电平等级的脉冲信号来验证其损伤程度。该试验由3种波形，5个等级组成（3种波形见图1～图3，5个等级见表1）。试验波形类别有A、B两种，当为类别A时，插针注入试验波形为波形3、波形4，当为类别B时，插针注入试验波形为波形3、波形5A。在实际应用中，将根据雷电防护等级选择试验波形类别及电平等级。[2]
2 TVS二极管防雷原理及主要参数
TVS二极管的防雷原理如图4所示，当电路中承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，二极管能以极高的速度（ps级）使其阻抗骤然降至很低的导通值，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上[3]，从而确保后级的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏，达到保护其他电路元器件的目的。
对于本文所述用户的防雷要求，可选用TVS二极管作为雷电防护器件来实现用户的防雷要求。通过将TVS二极管并联在连接器接触件与连接器外壳之间使用，当有雷电产生的高能脉冲信号通过接触件传输，电压高于TVS二极管的击穿电压时，二极管的阻抗会骤然降低，从而将高能脉冲信号导入连接器外壳，而连接器外壳通过接地最终将脉冲信号泄放掉。
TVS二极管需要考虑的主要参数包括：
最大峰值脉冲功率PPPM：二极管能承受的最大峰值脉冲功率，即在10/1000μs波形下的测试功率PPPM=VC×IPPM;
最大峰值脉冲电流IPPM：二极管能承受的最大反向峰值脉冲电流;
最大箝位电压VC：二极管流过IPPM时两端的电压;
最大反向工作电压VWM：二极管维持关断状态（不工作）时的最大电压;
结电容CJ：二极管P-N结之间的电容。通常是对信号传输电路进行雷电防护时需要考虑，防止结电容过大形成滤波电路，从而将工作信号滤掉。
3 参数设计
对于防雷连接器而言，如何选择合适的TVS器件参数以满足用户防雷等级要求是设计的关键。本文用户要求雷电防护等级为A4，代表试验波形类别为A类，试验等级为4级，根据RTCA/DO-160G的规定，插针注入试验波形选用图1、图2的波形3、波形4，因波形3只是考核TVS二极管对一定频率信号的耐受能力，参数设计时可按波形4进行计算。
由此可知，为满足用户A4的防雷等级要求，防雷连接器用的TVS二极管应能够承受表1所示波形4、等级4的开路电压Voc=750V和短路电流Isc=150A的冲击而不出现失效。于是可先计算瞬时电压时二极管自身的源电阻Zs：
根据用户的要求可知，最大工作电压为12VDC，为确保二极管不影响电路的正常工作，TVS二极管最大反向工作电压VWM必须大于12VDC，即只有当电路两端的电压大于12VDC时，二极管开始工作。同时，在二极管工作后，为起到保护后级电路元器件的作用，要求二极管的箝位电压VC又不能比12VDC高太多。本文选择箝位电压VC=19.9V的二极管作为雷电防护器件（Vc可以根据器件选型手册查询）。由此可计算出为能承受图2所示的6.4/69μs电压波形注入试验而不失效，TVS二极管需能够承受的脉冲峰值电流IPP如下：
通常情况下，TVS二极管的最大峰值脉冲电流IPPM是在图5所示10/1000μs的试验波形下测试而得，与图2所示的6.4/69μs脉冲波形存在差异，为确定二极管的IPPM，需要将IPP换算成在10/1000μs波形下的值。根据两种波形下功率相等可计算IPPM如下：
计算得IPPM=36.7A
至此，确定TVS二极管的参数为：
最大峰值脉冲功率PPPM=VC×IPPM=19.9V×36.7A=730.3W;
最大峰值脉冲电流IPPM=36.7A;
最大箝位电压VC=19.9V;
最大反向工作电压VWM>12VDC
结电容CJ：由于用户传输的是12V的直流电，因此结电容大小对电路无影响，在此无需考虑。
关键词： 雷电间接效应、雷电防护、瞬态电压抑制二极管（TVS二极管）、连接器
引言
军用飞机在飞行过程中，经常会遭受雷电袭击，而雷电产生的的巨大电磁波能量会对机载电子设备产生影响，甚至损坏设备上的电子元器件，给飞行带来安全隐患[1]，因此，通常情况下对机载设备均有雷电防护要求。连接器作为设备的接口部分，是最先或最易受到雷电影响的零部件，若在连接器上集成了雷电防护功能，不仅能有效保护设备内部电子元器件免受雷电损伤，还能将系统的防雷功能前移至接口部分，为系统设计预留出更大的空间，给系统设计带来极大的便利。
本文介绍的防雷连接器是根据某用户的需求而设计，用户具体要求如下：
1）在常规JY27656E11B35PHN连接器基础上改型，增加防雷功能，但接口尺寸不变;
2）连接器各孔位的工作电压为±12VDC;
3）雷电间接效应考核试验等级：A4;
4）最高工作温度：85℃。
1 雷电防护要求
军用机载电子設备雷电防护主要依据《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》，可分为直接雷电防护和间接雷电防护。间接雷电防护试验主要参考《RTCA/DO-160G 机载设备环境条件和试验程序第22章 雷电感应瞬态敏感度》。
根据RTCA/DO-160G规定，间接雷电防护试验主要考核损伤容限试验，其方法是通过对被测电子设备接插件注入一定波形、一定电平等级的脉冲信号来验证其损伤程度。该试验由3种波形，5个等级组成（3种波形见图1～图3，5个等级见表1）。试验波形类别有A、B两种，当为类别A时，插针注入试验波形为波形3、波形4，当为类别B时，插针注入试验波形为波形3、波形5A。在实际应用中，将根据雷电防护等级选择试验波形类别及电平等级。[2]
2 TVS二极管防雷原理及主要参数
TVS二极管的防雷原理如图4所示，当电路中承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，二极管能以极高的速度（ps级）使其阻抗骤然降至很低的导通值，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上[3]，从而确保后级的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏，达到保护其他电路元器件的目的。
对于本文所述用户的防雷要求，可选用TVS二极管作为雷电防护器件来实现用户的防雷要求。通过将TVS二极管并联在连接器接触件与连接器外壳之间使用，当有雷电产生的高能脉冲信号通过接触件传输，电压高于TVS二极管的击穿电压时，二极管的阻抗会骤然降低，从而将高能脉冲信号导入连接器外壳，而连接器外壳通过接地最终将脉冲信号泄放掉。
TVS二极管需要考虑的主要参数包括：
最大峰值脉冲功率PPPM：二极管能承受的最大峰值脉冲功率，即在10/1000μs波形下的测试功率PPPM=VC×IPPM;
最大峰值脉冲电流IPPM：二极管能承受的最大反向峰值脉冲电流;
最大箝位电压VC：二极管流过IPPM时两端的电压;
最大反向工作电压VWM：二极管维持关断状态（不工作）时的最大电压;
结电容CJ：二极管P-N结之间的电容。通常是对信号传输电路进行雷电防护时需要考虑，防止结电容过大形成滤波电路，从而将工作信号滤掉。
3 参数设计
对于防雷连接器而言，如何选择合适的TVS器件参数以满足用户防雷等级要求是设计的关键。本文用户要求雷电防护等级为A4，代表试验波形类别为A类，试验等级为4级，根据RTCA/DO-160G的规定，插针注入试验波形选用图1、图2的波形3、波形4，因波形3只是考核TVS二极管对一定频率信号的耐受能力，参数设计时可按波形4进行计算。
由此可知，为满足用户A4的防雷等级要求，防雷连接器用的TVS二极管应能够承受表1所示波形4、等级4的开路电压Voc=750V和短路电流Isc=150A的冲击而不出现失效。于是可先计算瞬时电压时二极管自身的源电阻Zs：
根据用户的要求可知，最大工作电压为12VDC，为确保二极管不影响电路的正常工作，TVS二极管最大反向工作电压VWM必须大于12VDC，即只有当电路两端的电压大于12VDC时，二极管开始工作。同时，在二极管工作后，为起到保护后级电路元器件的作用，要求二极管的箝位电压VC又不能比12VDC高太多。本文选择箝位电压VC=19.9V的二极管作为雷电防护器件（Vc可以根据器件选型手册查询）。由此可计算出为能承受图2所示的6.4/69μs电压波形注入试验而不失效，TVS二极管需能够承受的脉冲峰值电流IPP如下：
通常情况下，TVS二极管的最大峰值脉冲电流IPPM是在图5所示10/1000μs的试验波形下测试而得，与图2所示的6.4/69μs脉冲波形存在差异，为确定二极管的IPPM，需要将IPP换算成在10/1000μs波形下的值。根据两种波形下功率相等可计算IPPM如下：
计算得IPPM=36.7A
至此，确定TVS二极管的参数为：
最大峰值脉冲功率PPPM=VC×IPPM=19.9V×36.7A=730.3W;
最大峰值脉冲电流IPPM=36.7A;
最大箝位电压VC=19.9V;
最大反向工作电压VWM>12VDC
结电容CJ：由于用户传输的是12V的直流电，因此结电容大小对电路无影响，在此无需考虑。