浅析通信接口遭遇雷击的风险

在高度信息化的今天，电子设备遍布我们生活的每一个角落，很难想象如果脱离了它们，我们的生活会是怎样的。

但是，随着电子设备的高度集成化，其耐受过电压的能力也显著降低，如果遭受过电压入侵，将使电子设备的使用寿命大大降低，甚至会立即损坏。产生过电压的原因有很多，以雷电过电压造成的危害最大。本文将讨论雷电对设备通信接口造成过电压的原因、常见通信端口遭受雷击风险分析，希望各位同仁批评指正。

1、雷电对通信接口造成过电压的原因

通信设备如果遭受直接雷击，想要预防那是非常困难的事。因此，我们今天的内容都是在设备受到外部防雷保护的前提下进行讨论，即主要讨论感应雷引起的过电压。

雷电对通信接口造成过电压的原因主要有两方面：一是通信线感应雷电过电压；二是外部防雷装置遭受直击雷引起地电位反击。下面，我们对这两方面进行分析。

1.1、通信线感应雷电过电压

（图1 通信线感应雷电过电压示意图）

图1显示了通信线感应雷电过电压的两种方式：①通信线间形成环路，引起线间形成差模过电压；②通信线和地之间形成环路，引起每根线和接地之间形成共模过电压。

线间差模过电压：对于设备具体的某个接口而言，其通信线往往是成对的而且以双绞线形式出现，因此在雷雨天气，其线间感应的差模过电压较小。当然，也有例外情况，对于视频线同轴线缆来说，大部分的感应雷电过电压在外屏蔽层，因此外屏蔽层和芯线之间形成很大的过电压。

线-地之间共模过电压：同样对于设备的某个接口而言，通信线和地之间形成很大的环路，其感应的过电压往往非常高，也是感应雷造成设备端口损坏的主要原因。

1.2、外部防雷装置遭受直击雷产生地电位反击

地电位反击这个名词对于我们绝大多数同仁来说，已经非常熟悉了，这里不再赘述。地电位抬高后，通信端口各芯线和地之间形成巨大的过电压，造成端口被击坏。

2、常见通信端口遭受雷击风险分析

2.1、网络端口

   我们以常见的Realtek瑞昱RTL8019（图2所示）为例：

（图2  RTL8019局部电路图）

一共八个脚，其中4个为通信脚，分别为TPOUT+,TPOUT-,TPIN+和TPIN-，前2个脚和芯片之间通过10Ω隔离电阻相连，并跟信号地之间有电容相连，后2个脚直接与芯片相连并与信号地之间有电阻和电容相连。

分析：网线由4对（或2对）双绞线组成，线间差模过电压很小，可忽略不计，雷击风险主要为线-地之间的共模过电压以及雷电流。当发生感应雷时，由于每个脚都与地之间有电容相连，电容通交流阻直流，而雷电流为高频电流，因此线和地之间为通路，雷电流通过网线连接的2个端口入地，8个与信号地相连的电容易被过压击穿，4个通信脚连接的电阻在通过雷电流时容易被烧坏，造成通信故障。当发生地电位反击时，8个与信号地相连的电容易被过压击穿，由于电容不可能同时被击穿，因此芯片各脚之间存在电位差，芯片也容易被打坏。

   图3显示受损的集成电路板。用化学腐蚀掉该芯片表面的塑料使模块裸露，然后用光学显微镜检查并照像，从图3中可以看到典型的局部损坏。

（图3 雷击导致传输芯片损坏）

2.2、视频端口

   视频端口的典型电路如图4所示：

（图4 视频端口电路）

分析：由于视频线通信线为内部芯线和外部屏蔽层，外部屏蔽层接信号地，因此不论是感应雷还是地电位反击，都容易造成中间芯线和地之间存在过电压，该过电压容易将三极管击穿、烧坏芯线和地之间的电阻，如果过电压很大，甚至会打坏供电电源内部元器件。

2.3、工控4-20mA端口

（图5 工控4-20mA端口电路）

分析：工控4-20mA信号线一般都有外屏蔽层，在最新标准SH/T3164-2012《石油化工仪表系统防雷设计规范》里要求双屏蔽层，因此，感应雷造成的危害不大，需防地电位反击，当地电位抬高时，接地和芯线之间存在过电压，设备内部三极管、处理芯片以及运算放大器易被打坏。

2.4、485接口

485接口电路如图6所示：

（图6 485接口电路）

图6中485信号线分别通过20Ω的隔离电阻连接SN75176的6、7脚，芯线之间连接有120Ω的电阻，并分别通过3.3kΩ的上拉和下拉电阻与+5V电源以及接地相连。

分析：芯线之间的差模过电压风险较小，主要风险为芯线与地之间的共模过电压，无保护时，电阻和芯片乃至5V电源容易烧坏。

2.5 小结

通过上面对各种信号接口的分析，我们不难发现，发生雷击过电压时，信号线之间的差模过电压较小，而信号线与接地之间的共模过电压是造成设备损坏的主要风险。视频线的外屏蔽层接地，实际可看成是中间的1根芯线与地之间的过电压。信号线防雷器往往由多种防雷元器件组成，并在芯线与芯线之间以及芯线和地线之间并联组合，在选择防雷器时，应当重点考虑芯线和地之间的泄流能力，其次是芯线之间的泄流能力。