淺析通信接口遭遇雷擊的風險

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

但是，隨著電子設(shè)備的高度集成化，其耐受過電壓的能力也顯著降低，如果遭受過電壓入侵，將使電子設(shè)備的使用壽命大大降低，甚至會立即損壞。產(chǎn)生過電壓的原因有很多，以雷電過電壓造成的危害最大。本文將討論雷電對設(shè)備通信接口造成過電壓的原因、常見通信端口遭受雷擊風險分析，希望各位同仁批評指正。

1、雷電對通信接口造成過電壓的原因

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的前提下進行討論，即主要討論感應(yīng)雷引起的過電壓。

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

1.1、通信線感應(yīng)雷電過電壓

（圖1 通信線感應(yīng)雷電過電壓示意圖）

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

線間差模過電壓：對于設(shè)備具體的某個接口而言，其通信線往往是成對的而且以雙絞線形式出現(xiàn)，因此在雷雨天氣，其線間感應(yīng)的差模過電壓較小。當然，也有例外情況，對于視頻線同軸線纜來說，大部分的感應(yīng)雷電過電壓在外屏蔽層，因此外屏蔽層和芯線之間形成很大的過電壓。

線-地之間共模過電壓：同樣對于設(shè)備的某個接口而言，通信線和地之間形成很大的環(huán)路，其感應(yīng)的過電壓往往非常高，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

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

2、常見通信端口遭受雷擊風險分析

2.1、網(wǎng)絡(luò)端口

   我們以常見的Realtek瑞昱RTL8019（圖2所示）為例：

（圖2  RTL8019局部電路圖）

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

分析：網(wǎng)線由4對（或2對）雙絞線組成，線間差模過電壓很小，可忽略不計，雷擊風險主要為線-地之間的共模過電壓以及雷電流。當發(fā)生感應(yīng)雷時，由于每個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，因此線和地之間為通路，雷電流通過網(wǎng)線連接的2個端口入地，8個與信號地相連的電容易被過壓擊穿，4個通信腳連接的電阻在通過雷電流時容易被燒壞，造成通信故障。當發(fā)生地電位反擊時，8個與信號地相連的電容易被過壓擊穿，由于電容不可能同時被擊穿，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。用化學腐蝕掉該芯片表面的塑料使模塊裸露，然后用光學顯微鏡檢查并照像，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：由于視頻線通信線為內(nèi)部芯線和外部屏蔽層，外部屏蔽層接信號地，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和地之間存在過電壓，該過電壓容易將三極管擊穿、燒壞芯線和地之間的電阻，如果過電壓很大，甚至會打壞供電電源內(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信號線一般都有外屏蔽層，在最新標準SH/T3164-2012《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(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?shù)仉娢惶Ц邥r，接地和芯線之間存在過電壓，設(shè)備內(nèi)部三極管、處理芯片以及運算放大器易被打壞。

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信號線分別通過20Ω的隔離電阻連接SN75176的6、7腳，芯線之間連接有120Ω的電阻，并分別通過3.3kΩ的上拉和下拉電阻與+5V電源以及接地相連。

分析：芯線之間的差模過電壓風險較小，主要風險為芯線與地之間的共模過電壓，無保護時，電阻和芯片乃至5V電源容易燒壞。

2.5 小結(jié)

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