一种航空传感器端口防护电路

技术领域

本发明属于传感器维护技术领域，具体涉及一种航空传感器端口防护电路。

背景技术：

目前在航空传感器领域，两线制4mA～20mA输出信号形式以其高稳定性、适合远距离传输等特点占据了主导地位，其原理是通过信号变送电路将采集信号按照线性比例转换为4mA～20mA电流信号，飞机上由于存在多种复杂用电设备，电磁环境较为复杂，并且其使用的电源普遍存在浪涌等严酷供电情况，而传感器自身的有用信号幅度较小，极易受到来自线路和外界空间的干扰影响，从而产生输出精度超标甚至严重错误的信号，对飞机的采集产生误判。

在已公开的专利技术中，专利一种滤波电路和传感器(CN 209488447 U)，该专利提出的滤波电路包括第一级共模滤波电路、差模防护电路、第二级共模滤波电路和差模滤波电路。第一级共模滤波电路的第一输出端与差模防护电路的第一输入端电连接，第一级共模滤波电路的第二输出端与差模防护电路的第二输入端电连接。差模防护电路的第一输出端与第二级共模滤波电路的第一输入端电连接，差模防护电路的第二输出端与第二级共模滤波电路的第二输入端电连接。第二级共模滤波电路的第一输出端与差模滤波电路的第一输入端电连接，第二级共模滤波电路的第二输出端与差模滤波电路的第二输入端电连接。通过滤波电路对电源接口的电源信号进行滤波。

上述专利电路仅适用于对电源端口进行滤波，若要应用到二线制4mA～20mA电流输出型产品电路中，需要对两线之间的并联的电容参数进行限定，否则在电源上出现脉动干扰时，该电路会产生反作用。

上述专利无法实现雷电防护功能，当出现雷电感应信号时，该电路无法对电源线和信号线上产生的雷电干扰进行抑制，进而会造成烧毁后级处理芯片的后果。

上述专利中的第一级共模滤波由两个电容构成，根据实际情况来看，飞机上安装的传感器电源线和地线电缆一般不予屏蔽，每个端口仅通过一个电容进行共模滤波显然不足以消除共模干扰，一般需要使用两级电容进行共模滤波。

本发明设计的28V航空传感器用端口保护电路适用于飞机上的所有28V用电、4mA～20mA输出信号的多种形式传感器，能够适应以上复杂的用电环境，从而对雷电干扰、浪涌干扰和电磁环境干扰进行抑制，充分保证产品在飞机上输出信号扰动在正常范围之内，同时保护产品内部的处理电路不损坏。

发明内容

技术方案：

本发明的目的：

为了解决现有两线制4mA～20mA电路的供电与电磁环境适应性差的问题，本发明提供了一种新的具备雷电防护、浪涌抑制和电磁干扰抑制能力的端口防护电路。

本发明的技术方案：

一种航空传感器端口防护电路，所述防护电路包括：雷电防护模块、第一共模滤波模块、浪涌抑制模块、差模滤波模块、第二共模滤波模块；其中，所述雷电防护模块由两个双向瞬态抑制二极管构成，其中一个双向瞬态抑制二极管的一端与外部供电接口相连，另一端与机壳地相连，用于将供电接口上接收到的雷电感应信号进行抑制，另一个双向瞬态抑制二极管的一端与外部输出信号接口相连，另一端与机壳地相连；所述第一共模滤波模块由四个电容构成，其中两个电容并联后一端接入经雷电防护模块抑制后的供电信号，另一端与机壳地相连；另外两个电容并联后一端接入经雷电防护模块抑制后的信号，另一端与机壳地相连；浪涌抑制模块由功率电阻和瞬态抑制二极管构成，所述功率电阻一端与负责处理供电信号的第一共模滤波模块输出端相连，另一端与瞬态抑制二极管的负端相连，所述瞬态二极管的正端与负责处理外部输出信号接口的第一共模滤波模块输出端相连；所述差模滤波模块由两个磁珠构成，分别与浪涌抑制模块的输出端串联；所述第二共模滤波模块由两个电容和一个共模电感构成，该模块一端与差模滤波模块的输出端相连，另一端分别与内部供电与信号接口相连。

优选的，所述浪涌抑制模块与差模滤波模块之间设置有防反接二极管，对供电信号进行反接保护，防止供电接反造成内部功能电路烧毁。

优选的，所述雷电防护模块的输入端可串联穿心电容，进一步抑制端口位置的共模干扰。

优选的，所述第二共模滤波模块的输出端可串联磁珠，有效消除与功能电路相连的导线上耦合到的差模干扰信号。

优选的，所述第二共模滤波模块的输出端增加共模滤波电容，有效消除与功能电路相连的导线上耦合到的共模干扰信号。

优选的，所述雷电防护模块的输入端可串联功率电阻，进一步降低双向瞬态二极管工作时的功耗。

本发明的有益效果：

本发明可以适应传感器在飞机上直流28V电源的各种供电特性，和在飞机上可能遇到的电磁环境，电路输出的4mA～20mA电流信号稳定可靠，能够将电源线上的干扰进行充分抑制，从而避免了由于供电信号干扰而造成的输出信号波动或跳变。为了准确反映在不同外部干扰下该电路的防护效果，输出串联RL负载电阻，使用示波器对对负载电阻分压进行监测，本发明所提出的防护电路可同时实现对电源和产品输出信号的滤波防护功能。

附图说明

图1为接口防护电路图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述。

主要由雷电防护、浪涌抑制、电磁干扰滤波电路组成，主要包括TVS管V1、V2、V3，滤波电容C1～C6，防反接二极管D1，磁珠E1和E2，共模电感L1，功率电阻R1。

其中端口定义如下：

IN——28V直流供电端(外部端口)

OUT——电流信号输出端(外部端口)

V1——28V直流供电端(内部端口)

OUT1——电流信号输出端(内部端口)

IN为飞机28V直流供电信号，PGND为传感器机壳地，由于机壳地飞机地平面直接相连，因此PGND与飞机参考地等电位。V1的一端与供电信号IN相连，另一端与PGND相连，起到对供电端口IN的雷电防护功能，V2一段与电流信号OUT相连，另一端与PGND相连，起到对信号端口OUT的雷电防护功能。

电容C1与C2并联，一端与供电信号IN相连，另一端与PGND相连，起到IN端口的共模滤波作用，电容C3与C4并联，一端与供电信号OUT相连，另一端与PGND相连，起到OUT端口的共模滤波作用；

R1另一端与电容C1、C2连接，一端与TVS管V3相连，在电源过压时起到吸收瞬态功率的作用，TVS管V3的作用为当IN出现瞬态过压时，器件反向击穿并将两端电压箝位到安全电压值，以使后级电路的供电电压处于安全水平；

磁珠E1、E2和C5构成差模滤波电路，L1为共模电感，消除IN电源线与输出信号线上的共模干扰，电容C6为差模滤波电容，用于消除IN电源线与输出信号线上的差模干扰。

本发明所提出的端口防护电路采用双向滤波机制，应用于二线制电流输出型航空传感器，同时具备电源信号滤波和输出电流信号滤波能力；其输入端与电连接器相连，用于将连接器引入的外部雷电、浪涌信号、电磁干扰进行防护滤波，为后级功能电路提供安全的供电信号；同时还将后级功能电路处理的输出信号进行滤波和防护。

(一)雷电防护

1、TVS管V1构成28V电源线接口防雷电路，用于抑制外界雷电信号。为了抵御4级雷电感应瞬态敏感度试验，在产品28V电源线接口对产品地线施加TVS管，用以吸收雷电的能量，为保证在28V供电时防雷TVS管不启动工作，所以防雷TVS管的击穿电压V

2、电阻TVS管V2构成OUT信号接口防雷电路，用于抑制外界雷电信号。为了抵御4级雷电感应瞬态敏感度试验，在产品信号输出端对产品地线施加TVS管，用以吸收雷电的能量，由于产品输出信号为4mA～20mA电流，负载电阻最高为300Ω，设计时应该保证在20mA电流输出时TVS管不启动工作，所以防雷TVS管的击穿电压V

(二)供电兼容防护

1、反接保护。如图1所示，二极管D1用于防反接保护，D1的一端与功率电阻R1相连，一端与后级电路相连，起到防止电源线反接烧毁电路的作用。

2、浪涌抑制。TVS管V3用于进行浪涌抑制。为抑制供电线上可能出现的最大幅值为600V的电压尖峰，在产品电源增设限流电阻R1和瞬态抑制二极管V3进行防护设计。当电源电压超过33.3V时，TVS管击穿并启动工作，其功率计算公式见(1)。

TVS管的工作功率为

其中：V

V

R

R1＝10Ω，因此计算得知，使用功率电阻R1可以在供电过压时降低约5倍TVS管的工作功率，防止TVS管超过使用额定功率工作而烧毁。

3、抑制电源脉动。为了防止电源上的脉动干扰信号通过电容C5传递到信号线上，C5参数选取应不能过大，一般小于1nF～10nF，否则会将电源上的交流干扰通过C5叠加到信号线上，造成输出信号跳变超标。

(三)电磁兼容防护

1、电磁干扰滤波。

电容C1、C2、C3、C4构成第一级滤波电路。其中C1、C2用于消除28V正线的共模干扰，一端与28V供电入口连接，另一端与大地参考电位连接；C3、C4用于消除OUT信号线的共模干扰，一端与输出信号端口连接，另一端与大地参考电位连接。

C1＝C3＝0.1nF (2)

C2＝C4＝10nF (3)

磁珠E1、E2和C5构成差模滤波电路，L1为共模电感，消除28VDC电源线与输出信号线上的共模干扰，电容C6为差模滤波电容，用于消除28VDC电源线与输出信号线上的差模干扰。

2、参考地电位选取。

根据电磁兼容防护机理得知，共模滤波电容的滤波参考点应与大地等电位，并保证地线尽可能短，因此从PCB布板和传感器结构设计时，应合理设计接地路径，尽量减少接地阻抗。

电路板中的机壳地接地焊盘通过导线连接到接壳螺钉上，接壳螺钉通过螺纹拧装到安装座上，安装座与壳体外壳导通，最终通过前端安装螺纹与飞机地连接。接壳螺钉的材质为铜镀银材质，电源处理电路板的焊盘为铜材质，两者之间的连接线为铜材质，通过锡焊对两端进行固定，安装座与壳体材质均为不锈钢，表面进行化学钝化处理，满足导电性与耐腐蚀性，在进行安装时表面进行清洁处理。