不要让雷电感应浪涌吓到你 设计工程师, 市场总监, 航天器, 技术

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    作者：Bharat Shenoy ，力特公司技术市场总监，

    三、二、一，发射。随着飞船飞向太空，你期待着这次最新任务会有哪些发现，也想知道机组成员在飞行途中会遇到些什么。你要担心的最后一件事是，你的设计工程师是否采用了合适的电路保护技术。如果你的工程团队在设计阶段采取了正确的预防措施，那么你自不必感到担心。

    在设计太空应用的电路时，为什么电路保护如此重要？

    1.因为其关乎生命。航天器及其配套系统的设计必须能够为机组人员的生命提供保护，因为他们面临着太空飞行的各种危险和脆弱性。

    2.由于电路变得越来越小，所采用的技术也越加复杂。一个大型的航天器实际上是所有的小电路和元件的组合，它的运行也依赖于这些电路和元件的共同工作。因此，保护每个脆弱的电气部件和数字电路免受诸如静电放电和雷电感应浪涌之类的危害是至关重要的。无论大小，一个元件或电路损坏都意味着整个系统的瘫痪，从而影响整个任务的安全性。

历史的警示

    简单的事件可以对控制航天器的复杂电气系统造成干扰，发射于1969年11月14日的阿波罗12号任务就是一个很好的例子。

    在发射后第36秒，雷电击中阿波罗12号，导致一股巨大的电流通过航天器的外壳，传导至运载火箭，并通过火箭水槽到达地面（图1）。结果，发射控制器失去与机组的遥测通信。雷击触发了过载电路，断开了服务舱下方一个小盒子中的可控硅整流器（SCR），而服务舱是燃料电池（航天器的主要直流电源）之所在。突然，三个燃料电池均被断开。同时，瞬时低压输入到直流-交流逆变器导致交流欠压传感器跳闸。导致交流总线1和2故障灯亮起。影响燃料电池断开电路中可控硅整流器的瞬变以同样的方式影响了交流过载电路中的可控硅整流器。

   

    图1

    阿波罗12号升空后不久雷电击中土星五号火箭和发射塔。

    似乎一次雷击还不够糟糕，升空后第52秒又来了一次。这次雷击导致飞船的惯性测量单元陀螺仪故障，并造成轻微的测量仪器故障。由于飞船的电池供电应急总线还能继续运行，机组人员才得以恢复关键系统，安全地执行他们的任务。

    是什么防止了对系统和飞行器造成严重的永久性损坏？是发射逃逸系统、指令舱、服务舱、航天器-登月舱适配器和土星五号惯性单元之间的结构性电联接质量。运载火箭中的惯性单元计算机承担了上升的指导和控制，因为本来在正常情况下应为升空提供支持的指令舱计算机在第一次雷击中脱机了。由于这台用于升空指导和控制的冗余计算机是位于运载火箭中的，而不是在指令舱中，避免了中止飞行的需要。

    自这次阿波罗任务之后，美国航空航天局启用了广泛的监控设备，以确保在有可能出现雷电的时间里不会发射飞行器。如今，美国航空航天局肯尼迪航天中心的39B发射台已经过改造，纳入了一个包含多个发射塔的复杂的防雷系统。

如今的电路保护策略

    对于今天的电路设计人员来说幸运的是，对雷电感应浪涌进行保护设计时通常不再需要建造巨大的塔了。事实上，电路保护器件越来越小，以适应现代应用中的微型封装。

    几十年来，力特一直供应着航天器和地面控制系统中重要部分的电路保护元件。在20世纪60年代，力特为美国航空航天局开发了MICRO和PICO®超小型保险丝，在双子星和阿波罗太空计划中得到使用。来看一下今天力特所带来的其他电路保护器件。

高可靠性微型保险丝

    力特为美国航空航天局、其他航天机构和军事承包商提供262/268/269系列具有高分断能力的快速动作、高可靠性微型保险丝。这些微型保险丝的作用是为具有印刷电路板的电子、电气和通讯设备提供保护，这些设备通常处在最极端条件下，直流和交流电路高达400Hz。

TVS二极管

    AK系列的TVS二极管（如图2所示）是专为高能量瞬态电压保护应用而设计的。针对交流线路保护中的使用，以及要求苛刻的直流或交流应用，这些轴向引线、高功率瞬态抑制器都已经过优化。这些器件采用力特的返送技术，可以提供比传统方法（如：硅雪崩二极管（SAD）技术）更优越的钳位性能。它们提供的钳位电压要低于雪崩电压，但要高于额定工作电压。因此，任何应增强的电流传导而导致的电压上升将会被保持在最低限度，以确保最佳的保护级别。

    AK系列TVS二极管还具有无耗损机制的优势，更低的泄漏率和对浪涌的快速响应。它们的紧凑的设计也简化了电路板布局。连接方式有串联和并联可选，以创建非常高容量的保护方案。

    图2

   

    与在每次浪涌事件之后性能开始下降的传统浪涌保护器件模块不同，AK系列TVS二极管可以快速恢复。

压敏电阻

    力特的LSP10系列浪涌保护模块（如图3所示）为户外和商用LED照明灯具提供瞬态过电压保护。采用力特设计的热保护压敏电阻，这些保护模块具有强大的浪涌电流处理能力。内置的热脱扣功能针对灾难性故障和火灾隐患提供的额外的保护，即使是极端情况下（如：压敏电阻寿命终止或持续过电压）。LSP10系列有并联和串联连接方式可选。使用并联连接，指示线可以激活一个LED灯，通知维修人员何时需要对SPD进行更换，以确保灯具持续得到保护。串联连接会切断灯具的电源，清楚地指示出应该对SPD进行更换。

    图3

   

    LSP10系列浪涌保护模块。