【硬件設(shè)計(jì)】防雷電路實(shí)例分析

廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的環(huán)境動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)所有的端口都進(jìn)行了防雷保護(hù)設(shè)計(jì)，其中包括220V交流電源防雷設(shè)計(jì)、以太網(wǎng)防雷保護(hù)、DI輸入端口防雷保護(hù)、AI輸入端口防雷保護(hù)、RS232/RS485防雷保護(hù)，下面將對(duì)這些防雷保護(hù)電路一一進(jìn)行分析。

1.1.1220V交流電源防雷保護(hù)

環(huán)境動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)中電源采用220V交流電源供電，前端所使用的防雷保護(hù)電路詳見圖1

圖1 220V交流電源防雷保護(hù)電路

由于采用了復(fù)合對(duì)稱電路與共模、差模全保護(hù)，因此L、N可以隨便接，安全。即便壓敏電阻短路失效后與電路脫離，一般也不會(huì)引起火災(zāi)。根據(jù)實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)U2最容易遭受雷擊損壞，由于壓敏電阻本身的老化或承受暫時(shí)過電壓的多次沖擊，壓敏電阻的漏電流迅速增加發(fā)熱導(dǎo)致短路失效。壓敏的短路失效將造成整個(gè)供電線路的短路故障，并引起著火、爆炸等威脅到人身和財(cái)產(chǎn)安全的嚴(yán)重事故。本電路由于采用了金屬氧化鋅壓敏電阻U2，因此能有效地避免傳統(tǒng)的氧化鋅壓敏電阻因短路失效可能帶來的火災(zāi)等安全隱患。與此同時(shí)，如果因?yàn)槔讚魮p壞時(shí)，其隔離的熔斷保險(xiǎn)絲將同時(shí)熔斷，主機(jī)CPU可以在LS_Check端檢測到相應(yīng)的信號(hào)，從而起到雷擊損壞報(bào)警功能。

表1 壓敏電阻值選擇一覽表

壓敏電阻的壓敏電壓值可參考表1選取，壓敏電壓值可以適當(dāng)選高一點(diǎn)，這樣更安全、耐用，故障率低，但殘壓略高。然后根據(jù)通流容量要求選擇外形尺寸和封裝形式，或采用幾個(gè)壓敏電阻并聯(lián)，注意應(yīng)挑選壓敏電壓值相近的并聯(lián)，每個(gè)壓敏電阻都要單獨(dú)串聯(lián)溫度保險(xiǎn)管，以延長使用壽命和確保安全。

陶瓷氣體放電管的通流容量根據(jù)要求的通流容量選擇，直流擊穿電壓為470V～600V。當(dāng)要求的通流容量≤3KA時(shí)，可以用玻璃放電管代替。

壓敏電阻和氣體放電管都必須按沖擊10次以上的降額值計(jì)算通流容量(壓敏電阻為一次沖擊通流容量的三分之一左右，氣體放電管為最大通流容量的一半左右)。

1.1.2以太網(wǎng)防雷保護(hù)

隨著以太網(wǎng)技術(shù)在基站和機(jī)房監(jiān)控中的應(yīng)用，帶網(wǎng)口的采集設(shè)備越來越多，以前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大都用在機(jī)房和大樓的里面，機(jī)房和大樓本樓的防雷措施很充分，所以以前的帶網(wǎng)口的設(shè)備基本沒有考慮防雷的問題，至多在網(wǎng)口處加一些瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)防浪涌，其保護(hù)指標(biāo)很低(差模500V，共模1000V)，當(dāng)設(shè)備使用在基站中時(shí)，因如上述原因，大量網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備在基站中因被雷擊而損壞。

面臨這種問題，用戶的處理策略是在網(wǎng)口外加信號(hào)防雷器，以提高設(shè)備的防雷性能。但是，外加防雷器有很多不便，例如，需要重新做設(shè)備和防雷器直接的連接線，這樣連接點(diǎn)從原來的1個(gè)，增加為3個(gè)，故障率也增加了3倍。同時(shí)網(wǎng)口傳輸?shù)氖?0M/100M高速信號(hào)，而外加防雷器的分布電容很大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸會(huì)有影響，這種方式是以犧牲傳輸距離和速度來提高設(shè)備的防雷效果。

在環(huán)境動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)中，提供并采用了一種既能提高防雷效果，防止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因雷擊損壞，又不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，可以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和速度的監(jiān)控采集設(shè)備網(wǎng)口防雷電路。詳見圖2。

圖2 以太網(wǎng)口防雷電路

在如圖2所示的網(wǎng)口防雷電路中，在網(wǎng)絡(luò)變壓器和網(wǎng)口插座之間增加放電管和雙向瞬態(tài)電壓泄放電路組成的兩級(jí)防護(hù)電路，極大的增強(qiáng)了網(wǎng)口的差模防護(hù)能力。第一限流電阻R80、R82、R84、R88和氣體放電管EA16、EA17組成了一級(jí)防護(hù)電路，對(duì)雷擊的浪涌電壓進(jìn)行第一級(jí)保護(hù)，具有泄放雷電暫態(tài)過電流和限流過電壓作用。一級(jí)防護(hù)電路可以產(chǎn)生很大的泄放電流(3KA)，大部分入侵能量通過地泄放。在此基礎(chǔ)上，由U31和R81、R83、R85、R89組成的雙向瞬態(tài)電壓泄放電路組成了二級(jí)防護(hù)電路，對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行雙向殘壓吸收，對(duì)雷擊的浪涌電壓進(jìn)行第二級(jí)保護(hù)，剩余能量經(jīng)過雙向瞬態(tài)電壓泄放電路泄放，到網(wǎng)絡(luò)變壓器的能量就很小了。在兩級(jí)防護(hù)電路的作用下，本電路具有良好的防雷效果，可以防止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因雷擊而造成的損壞。

在一級(jí)防護(hù)電路中，氣體放電管的寄生電容很小;在二級(jí)防護(hù)電路中，采用了由二極管、瞬態(tài)電壓抑制二極管、二極管串連組成的瞬態(tài)電壓泄放集成IC，大大降低了二級(jí)防護(hù)電路中TVS管過大的結(jié)電容。所以，本網(wǎng)口防雷電路不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，可以保證原來的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和傳輸速度，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和網(wǎng)口波形均可滿足規(guī)范要求，同時(shí)具有良好的防雷效果。

在如圖2所示的網(wǎng)口防雷電路中，在器件選型方面，為了不影響網(wǎng)絡(luò)波形和傳輸性能，第一限流電阻的阻值為歐姆級(jí)，在本電路中R80、R82、R84、R88的電阻值為4.7Ω。為了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)變壓器，又不影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，第二限流電阻(R81、R83、R85、R89)的阻值可以在0Ω至10Ω之間，最好在2Ω至3Ω之間，在本電路中R81、R83、R85、R89的電阻值為2.2Ω。為了降低電路的體積同時(shí)減少分布電容的影響，本電路采用了由二極管、瞬態(tài)電壓抑制二極管、二極管串連組成的瞬態(tài)電壓泄放集成IC(UFS08A2.8L04)，因UFS08A2.8L04中含有4條由第一二極管、瞬態(tài)單向電壓抑制二極管、第二二極管依次串聯(lián)組成的瞬態(tài)電壓泄放支路，所以每路網(wǎng)口發(fā)送信號(hào)線的防雷電路和接收信號(hào)線的防雷電路可以共用一個(gè)UFS08A2.8L04芯片，大大的減小了電路的體積和分布電容的影響。

1.1.3AI/DI輸入端口防雷保護(hù)

在基站環(huán)境中由于AI/DI輸入端口是通過長距離的線纜與傳感器相連，因此AI/DI端口同樣存在防雷保護(hù)問題(主要為感應(yīng)雷)，在RMS-500系統(tǒng)中我們采用氣體放電管加TVS管組成的兩級(jí)防護(hù)電路，詳見圖3和圖4。

在圖3和圖4中，我們可以看到AI防雷保護(hù)電路與DI防雷保護(hù)電路存在的區(qū)別，在DI防雷保護(hù)電路中我們使用了功率電阻R1(7.5Ω/2W)，R1應(yīng)滿足R1≥(U1 -U2) /I1,其中U1為測得空氣放電管的沖擊擊穿電壓值，U2為TVS管最高鉗位電壓，I1為查TVS器件手冊(cè)得到TVS管8/20us沖擊電流下的最大通流量。在AI防雷電路中由于需要對(duì)4~20mA電流和電壓進(jìn)行測量，因此我們?cè)诰确秶鷥?nèi)采用電感L1而沒有使用電阻，L1應(yīng)滿足L1≥(U1 -U2) × (T2 -T1) / (I1 /2)，電感L1的取值計(jì)算方法為：以 8/20us 沖擊電流為準(zhǔn)，測得在設(shè)計(jì)通流容量下壓敏電阻的殘壓值 U1，查 TVS 器件手冊(cè)得到 8/20us 沖擊電流作用下TVS管的最大通流量I1、以及TVS管最高鉗位電壓U2，8/20us 沖擊電流的視在波頭時(shí)間T1=8us，視在半峰值時(shí)間T 2=20us。