涼都六盤水專家淺析通信接口遭遇雷擊的風險
涼都六盤水專家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,將使電子設備的使用壽命大大降低,甚至會立即損壞。產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
通信設備如果遭受直接雷擊,想要預防那是非常困難的事。因此,我們今天的內容都是在設備受到外部防雷保護的前提下進行討論,即主要討論感應雷引起的過電壓。
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、通信線感應雷電過電壓
(圖1 通信線感應雷電過電壓示意圖)
圖1顯示了通信線感應雷電過電壓的兩種方式:①通信線間形成環路,引起線間形成差模過電壓;②通信線和地之間形成環路,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,因此在雷雨天氣,其線間感應的差模過電壓較小。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:同樣對于設備的某個接口而言,通信線和地之間形成很大的環路,其感應的過電壓往往非常高,也是感應雷造成設備端口損壞的主要原因。
1.2、外部防雷裝置遭受直擊雷產生地電位反擊
地電位反擊這個名詞對于我們絕大多數同仁來說,已經非常熟悉了,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、網絡端口
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。當發生感應雷時,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《石油化工儀表系統防雷設計規范》里要求雙屏蔽層,因此,感應雷造成的危害不大,需防地電位反擊,當地電位抬高時,接地和芯線之間存在過電壓,設備內部三極管、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
通過上面對各種信號接口的分析,我們不難發現,發生雷擊過電壓時,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組合,在選擇防雷器時,應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。