淺析通信接口遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)

在高度信息化的今天，電子設(shè)備遍布我們生活的每一個(gè)角落，很難想象如果脫離了它們，我們的生活會(huì)是怎樣的。

但是，隨著電子設(shè)備的高度集成化，其耐受過(guò)電壓的能力也顯著降低，如果遭受過(guò)電壓入侵，將使電子設(shè)備的使用壽命大大降低，甚至?xí)⒓磽p壞。產(chǎn)生過(guò)電壓的原因有很多，以雷電過(guò)電壓造成的危害最大。本文將討論雷電對(duì)設(shè)備通信接口造成過(guò)電壓的原因、常見(jiàn)通信端口遭受雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析，希望各位同仁批評(píng)指正。

1、雷電對(duì)通信接口造成過(guò)電壓的原因

通信設(shè)備如果遭受直接雷擊，想要預(yù)防那是非常困難的事。因此，我們今天的內(nèi)容都是在設(shè)備受到外部防雷保護(hù)的前提下進(jìn)行討論，即主要討論感應(yīng)雷引起的過(guò)電壓。

雷電對(duì)通信接口造成過(guò)電壓的原因主要有兩方面：一是通信線(xiàn)感應(yīng)雷電過(guò)電壓；二是外部防雷裝置遭受直擊雷引起地電位反擊。下面，我們對(duì)這兩方面進(jìn)行分析。

1.1、通信線(xiàn)感應(yīng)雷電過(guò)電壓

（圖1 通信線(xiàn)感應(yīng)雷電過(guò)電壓示意圖）

圖1顯示了通信線(xiàn)感應(yīng)雷電過(guò)電壓的兩種方式：①通信線(xiàn)間形成環(huán)路，引起線(xiàn)間形成差模過(guò)電壓；②通信線(xiàn)和地之間形成環(huán)路，引起每根線(xiàn)和接地之間形成共模過(guò)電壓。

線(xiàn)間差模過(guò)電壓：對(duì)于設(shè)備具體的某個(gè)接口而言，其通信線(xiàn)往往是成對(duì)的而且以雙絞線(xiàn)形式出現(xiàn)，因此在雷雨天氣，其線(xiàn)間感應(yīng)的差模過(guò)電壓較小。當(dāng)然，也有例外情況，對(duì)于視頻線(xiàn)同軸線(xiàn)纜來(lái)說(shuō)，大部分的感應(yīng)雷電過(guò)電壓在外屏蔽層，因此外屏蔽層和芯線(xiàn)之間形成很大的過(guò)電壓。

線(xiàn)-地之間共模過(guò)電壓：同樣對(duì)于設(shè)備的某個(gè)接口而言，通信線(xiàn)和地之間形成很大的環(huán)路，其感應(yīng)的過(guò)電壓往往非常高，也是感應(yīng)雷造成設(shè)備端口損壞的主要原因。

1.2、外部防雷裝置遭受直擊雷產(chǎn)生地電位反擊

地電位反擊這個(gè)名詞對(duì)于我們絕大多數(shù)同仁來(lái)說(shuō)，已經(jīng)非常熟悉了，這里不再贅述。地電位抬高后，通信端口各芯線(xiàn)和地之間形成巨大的過(guò)電壓，造成端口被擊壞。

2、常見(jiàn)通信端口遭受雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1、網(wǎng)絡(luò)端口

   我們以常見(jiàn)的Realtek瑞昱RTL8019（圖2所示）為例：

（圖2  RTL8019局部電路圖）

一共八個(gè)腳，其中4個(gè)為通信腳，分別為TPOUT+,TPOUT-,TPIN+和TPIN-，前2個(gè)腳和芯片之間通過(guò)10Ω隔離電阻相連，并跟信號(hào)地之間有電容相連，后2個(gè)腳直接與芯片相連并與信號(hào)地之間有電阻和電容相連。

分析：網(wǎng)線(xiàn)由4對(duì)（或2對(duì)）雙絞線(xiàn)組成，線(xiàn)間差模過(guò)電壓很小，可忽略不計(jì)，雷擊風(fēng)險(xiǎn)主要為線(xiàn)-地之間的共模過(guò)電壓以及雷電流。當(dāng)發(fā)生感應(yīng)雷時(shí)，由于每個(gè)腳都與地之間有電容相連，電容通交流阻直流，而雷電流為高頻電流，因此線(xiàn)和地之間為通路，雷電流通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接的2個(gè)端口入地，8個(gè)與信號(hào)地相連的電容易被過(guò)壓擊穿，4個(gè)通信腳連接的電阻在通過(guò)雷電流時(shí)容易被燒壞，造成通信故障。當(dāng)發(fā)生地電位反擊時(shí)，8個(gè)與信號(hào)地相連的電容易被過(guò)壓擊穿，由于電容不可能同時(shí)被擊穿，因此芯片各腳之間存在電位差，芯片也容易被打壞。

   圖3顯示受損的集成電路板。用化學(xué)腐蝕掉該芯片表面的塑料使模塊裸露，然后用光學(xué)顯微鏡檢查并照像，從圖3中可以看到典型的局部損壞。

（圖3 雷擊導(dǎo)致傳輸芯片損壞）

2.2、視頻端口

   視頻端口的典型電路如圖4所示：

（圖4 視頻端口電路）

分析：由于視頻線(xiàn)通信線(xiàn)為內(nèi)部芯線(xiàn)和外部屏蔽層，外部屏蔽層接信號(hào)地，因此不論是感應(yīng)雷還是地電位反擊，都容易造成中間芯線(xiàn)和地之間存在過(guò)電壓，該過(guò)電壓容易將三極管擊穿、燒壞芯線(xiàn)和地之間的電阻，如果過(guò)電壓很大，甚至?xí)驂墓╇婋娫磧?nèi)部元器件。

2.3、工控4-20mA端口

（圖5 工控4-20mA端口電路）

分析：工控4-20mA信號(hào)線(xiàn)一般都有外屏蔽層，在最新標(biāo)準(zhǔn)SH/T3164-2012《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》里要求雙屏蔽層，因此，感應(yīng)雷造成的危害不大，需防地電位反擊，當(dāng)?shù)仉娢惶Ц邥r(shí)，接地和芯線(xiàn)之間存在過(guò)電壓，設(shè)備內(nèi)部三極管、處理芯片以及運(yùn)算放大器易被打壞。

2.4、485接口

485接口電路如圖6所示：

（圖6 485接口電路）

圖6中485信號(hào)線(xiàn)分別通過(guò)20Ω的隔離電阻連接SN75176的6、7腳，芯線(xiàn)之間連接有120Ω的電阻，并分別通過(guò)3.3kΩ的上拉和下拉電阻與+5V電源以及接地相連。

分析：芯線(xiàn)之間的差模過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)較小，主要風(fēng)險(xiǎn)為芯線(xiàn)與地之間的共模過(guò)電壓，無(wú)保護(hù)時(shí)，電阻和芯片乃至5V電源容易燒壞。

2.5 小結(jié)

通過(guò)上面對(duì)各種信號(hào)接口的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)生雷擊過(guò)電壓時(shí)，信號(hào)線(xiàn)之間的差模過(guò)電壓較小，而信號(hào)線(xiàn)與接地之間的共模過(guò)電壓是造成設(shè)備損壞的主要風(fēng)險(xiǎn)。視頻線(xiàn)的外屏蔽層接地，實(shí)際可看成是中間的1根芯線(xiàn)與地之間的過(guò)電壓。信號(hào)線(xiàn)防雷器往往由多種防雷元器件組成，并在芯線(xiàn)與芯線(xiàn)之間以及芯線(xiàn)和地線(xiàn)之間并聯(lián)組合，在選擇防雷器時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮芯線(xiàn)和地之間的泄流能力，其次是芯線(xiàn)之間的泄流能力。