一种防雷电连接器设计

龙承毅

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。

此时确定的是二极管在常温下（25℃）的工作参数，常温下只要确保二极管的最大峰值脉冲功率大于730.3W即可满足使用要求，但在选择二极管时，还需要考虑高温降额的影响，通常情况下85℃时的降额达到常温（25℃）时的50%，因此要求二极管最大峰值脉冲功率大于1460.6W，为了确保一定的设计裕度，本文设计的产品选用最大峰值脉冲功率为3000W的二极管。

4 结构设计

4.1 外壳结构设计

确定了防雷参数，接下来就是进行连接器的结构设计，如何确保在有限空间内将二极管并联在防雷接触件与外壳之间将是结构设计的重点。用户要求接口尺寸不变，因此保证连接器外壳对接端尺寸及安装孔间距尺寸与JY27496E11B35PHN外殼的完全一致，同时保证型谱排列不变，只是将连接器法兰以后的部分根据用户的空间进行相应的扩展，保证有足够的空间容纳下TVS二极管，因此将连接器外壳设计为如图6所示的结构。

4.2 防雷模块结构设计

TVS二极管分为表贴式和轴式两种，轴式为中间为二极管，两端为焊接引脚，通过将引脚焊接在接触件与外壳之间实现并联，而表贴式则主要是将焊盘贴合焊接在印制板上的结构。由于轴式的二极管占用轴向空间较大，在现有空间上无法满足要求，因此本文的防雷连接器将选用表贴式的二极管（如图7所示）。

而对于如何将二极管并联在接触件和外壳之间，本文则采用印制板转接结构。即先将TVS二极管焊接在印制板上，然后再将印制板通过焊孔与接触件焊接在一起，保证接触件与TVS二极管的一个焊盘（电极）连接，随后，通过安装螺钉将印制板可靠固定在连接器外壳内腔中，而印制板的安装孔则与TVS的另一个焊盘（电极）连接，最终将二极管并联在接触件和外壳之间。

由于空间限制，将印制板设计成多层的异型结构，保证正反两面均能焊接一定数量的TVS管，同时为了保证印制板与外壳连接可靠性，在印制板上设计了4个安装孔，印制板结构如图8所示。

4.3 总体结构设计

连接器总是在一定的环境中使用，因此，除了保证防雷功能以外，还需考虑防潮等潜在的功能需求。因此，在结构设计时，在尾端灌封一层环氧胶，一方面是用于固定接触件，另一方面起到一定的防潮功能，同时，在尾端设计成封线体结构并在周圈灌封硅橡胶，保证接触件与封线体过盈配合防潮气侵入，而尾端则增加盖板以保护内部TVS及印制板。最终产品的总体结构设计如图9所示。

5 结语

本文根据相关防雷标准的要求，结合用户实际防雷及其他方面的需求，通过正确计算选择合理的TVS防雷二极管参数，同时合理设计防雷电连接器结构，成功设计出了防雷电连接器，经过送样用户测试，产品满足用户A4的防雷等级及安装需求。该产品的设计开发，为防雷连接器的参数设计、结构设计具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 林凯.机载电子设备接口电路的雷电防护设计[J].测试工具与解决方案.2017.07.

[2] RTCA/D0-160G-2010.机械设备环境条件和试验方法[S]. 2010.

[3] 李明.航空电子设备雷电间接效应防护设计及验证[J].山西电子技术.2016.05.