不要讓雷電感應(yīng)浪涌嚇到你

作者：Bharat Shenoy ，力特公司技術(shù)市場(chǎng)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(wù)會(huì)有哪些發(fā)現(xiàn)，也想知道機(jī)組成員在飛行途中會(huì)遇到些什么。你要擔(dān)心的最后一件事是，你的設(shè)計(jì)工程師是否采用了合適的電路保護(hù)技術(shù)。如果你的工程團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)階段采取了正確的預(yù)防措施，那么你自不必感到擔(dān)心。

在設(shè)計(jì)太空應(yīng)用的電路時(shí)，為什么電路保護(hù)如此重要？

1.因?yàn)槠潢P(guān)乎生命。航天器及其配套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須能夠?yàn)闄C(jī)組人員的生命提供保護(hù)，因?yàn)樗麄兠媾R著太空飛行的各種危險(xiǎn)和脆弱性。

2.由于電路變得越來(lái)越小，所采用的技術(shù)也越加復(fù)雜。一個(gè)大型的航天器實(shí)際上是所有的小電路和元件的組合，它的運(yùn)行也依賴于這些電路和元件的共同工作。因此，保護(hù)每個(gè)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(yīng)浪涌之類的危害是至關(guān)重要的。無(wú)論大小，一個(gè)元件或電路損壞都意味著整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，從而影響整個(gè)任務(wù)的安全性。

歷史的警示

簡(jiǎn)單的事件可以對(duì)控制航天器的復(fù)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(hào)任務(wù)就是一個(gè)很好的例子。

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

圖1

阿波羅12號(hào)升空后不久雷電擊中土星五號(hào)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(lái)了一次。這次雷擊導(dǎo)致飛船的慣性測(cè)量單元陀螺儀故障，并造成輕微的測(cè)量?jī)x器故障。由于飛船的電池供電應(yīng)急總線還能繼續(xù)運(yùn)行，機(jī)組人員才得以恢復(fù)關(guān)鍵系統(tǒng)，安全地執(zhí)行他們的任務(wù)。

是什么防止了對(duì)系統(tǒng)和飛行器造成嚴(yán)重的永久性損壞？是發(fā)射逃逸系統(tǒng)、指令艙、服務(wù)艙、航天器-登月艙適配器和土星五號(hào)慣性單元之間的結(jié)構(gòu)性電聯(lián)接質(zhì)量。運(yùn)載火箭中的慣性單元計(jì)算機(jī)承擔(dān)了上升的指導(dǎo)和控制，因?yàn)楸緛?lái)在正常情況下應(yīng)為升空提供支持的指令艙計(jì)算機(jī)在第一次雷擊中脫機(jī)了。由于這臺(tái)用于升空指導(dǎo)和控制的冗余計(jì)算機(jī)是位于運(yùn)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(wù)之后，美國(guó)航空航天局啟用了廣泛的監(jiān)控設(shè)備，以確保在有可能出現(xiàn)雷電的時(shí)間里不會(huì)發(fā)射飛行器。如今，美國(guó)航空航天局肯尼迪航天中心的39B發(fā)射臺(tái)已經(jīng)過(guò)改造，納入了一個(gè)包含多個(gè)發(fā)射塔的復(fù)雜的防雷系統(tǒng)。

如今的電路保護(hù)策略

對(duì)于今天的電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，對(duì)雷電感應(yīng)浪涌進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)通常不再需要建造巨大的塔了。事實(shí)上，電路保護(hù)器件越來(lái)越小，以適應(yīng)現(xiàn)代應(yīng)用中的微型封裝。

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

高可靠性微型保險(xiǎn)絲

力特為美國(guó)航空航天局、其他航天機(jī)構(gòu)和軍事承包商提供262/268/269系列具有高分?jǐn)嗄芰Φ目焖賱?dòng)作、高可靠性微型保險(xiǎn)絲。這些微型保險(xiǎn)絲的作用是為具有印刷電路板的電子、電氣和通訊設(shè)備提供保護(hù)，這些設(shè)備通常處在最極端條件下，直流和交流電路高達(dá)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(hù)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。針對(duì)交流線路保護(hù)中的使用，以及要求苛刻的直流或交流應(yīng)用，這些軸向引線、高功率瞬態(tài)抑制器都已經(jīng)過(guò)優(yōu)化。這些器件采用力特的返送技術(shù)，可以提供比傳統(tǒng)方法（如：硅雪崩二極管（SAD）技術(shù)）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(yīng)增強(qiáng)的電流傳導(dǎo)而導(dǎo)致的電壓上升將會(huì)被保持在最低限度，以確保最佳的保護(hù)級(jí)別。

AK系列TVS二極管還具有無(wú)耗損機(jī)制的優(yōu)勢(shì)，更低的泄漏率和對(duì)浪涌的快速響應(yīng)。它們的緊湊的設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)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(hù)方案。

圖2

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

力特的LSP10系列浪涌保護(hù)模塊（如圖3所示）為戶外和商用LED照明燈具提供瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)。采用力特設(shè)計(jì)的熱保護(hù)壓敏電阻，這些保護(hù)模塊具有強(qiáng)大的浪涌電流處理能力。內(nèi)置的熱脫扣功能針對(duì)災(zāi)難性故障和火災(zāi)隱患提供的額外的保護(hù)，即使是極端情況下（如：壓敏電阻壽命終止或持續(xù)過(guò)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(gè)LED燈，通知維修人員何時(shí)需要對(duì)SPD進(jìn)行更換，以確保燈具持續(xù)得到保護(hù)。串聯(lián)連接會(huì)切斷燈具的電源，清楚地指示出應(yīng)該對(duì)SPD進(jìn)行更換。

圖3

LSP10系列浪涌保護(hù)模塊。