賴淋香

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610）

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通信端口的浪涌（沖擊）防護★

賴淋香

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

摘要：首先，介紹了與浪涌防護有關的標準及試驗波形；然后，闡述了浪涌防護的原理及常用器件；最后，在分析通信端口的特點的基礎上，以RJ45以太網(wǎng)口和CAN總線口這兩個常用的通信端口為例，對其具體的浪涌防護的具體措施進行了介紹，為通信端口的浪涌防護提供了一定的參考。

關鍵詞：通信端口；浪涌防護；浪涌標準；以太網(wǎng)口；控制器局域網(wǎng)總線端口

0　引言

浪涌（沖擊）指的是沿線路或電路傳送的電流、電壓或功率的瞬態(tài)波，其特征是先快速地上升，然后再緩慢地下降。電子設備在受浪涌干擾的情況下，可能在它們的電源端口、通信端口和天線端口等部位出現(xiàn)瞬時的、幅值遠遠高出額定值的脈沖信號。產生浪涌的原因主要有雷擊、重型設備啟動或關閉和電源切換等。巨大的浪涌能量如果不妥善處理，將會直接影響到設備的正常工作，甚至燒毀設備。雷擊浪涌沖擊可以分為直接雷浪涌沖擊和感應雷浪涌沖擊，其中感應雷浪涌沿導體傳播，傳播距離遠，因此破壞面甚廣，其主要破壞對象是建筑物內部的弱電設備。通信端口作為弱電設備的一部分，是感應雷的主要受害者之一。通信端口具有快捷、高速、低壓和即插即用等特點，是目前數(shù)據(jù)傳輸不可替代的設備。因此，做好通信端口的浪涌防護，是保證數(shù)據(jù)順利、完整、安全傳輸?shù)那疤帷?/p>

1　標準及試驗波形

GB/T 17626.5-2008《電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗》等同采用國際標準IEC 61000-4-5-2005，其規(guī)定了設備對由開關和雷電瞬變過電壓引起的單極性浪涌（沖擊）的抗擾度的要求，規(guī)定了一個一致的試驗方法，以評定系統(tǒng)的抗擾度[1]。

YD/T 993-1998《電信終端設備防雷技術要求及試驗方法》規(guī)定了電信終端設備的防雷擊技術要求及試驗方法，是電信終端設備雷電防護設計和雷擊過電壓試驗的技術依據(jù)[2]。

以上兩個標準既有區(qū)別又有緊密的聯(lián)系。GB/T 17626.5屬于基礎標準，它規(guī)定了實現(xiàn)電磁兼容的一般基礎條件和規(guī)則，規(guī)定了測量技術、試驗方法和適用性等，一般不涉及具體的產品。YD/T 993屬于產品類標準，其規(guī)定了專門針對電信終端設備的浪涌抗擾度要求和相對詳細的試驗程序。產品類標準通常盡可能地引用基礎標準[3]，例如：YD/T 993中的浪涌試驗中使用的10/700 μs的浪涌波參考的便是GB/T 17626.5中的浪涌波形。

對通信端口RJ45以太網(wǎng)口和CAN總線通信口進行浪涌試驗，首先需要選擇適當?shù)臉藴省Ｓ捎赗J45以太網(wǎng)口屬于電信端口，因此，根據(jù)標準YD/T 993，使用10/700 μs組合波發(fā)生器對其進行5 kV電壓等級的線-線浪涌試驗（浮地產品不做線-地浪涌試驗）。CAN總線端口的浪涌試驗的試驗方法和試驗波形則參考基礎標準GB/T 17626.5，標準附錄A要求對于連接到對稱通信線的端口，使用10/700 μs組合波發(fā)生器，僅進行線-地浪涌測試，根據(jù)制造商的需求，亦選擇開路試驗電壓為1.5 kV的試驗等級。10/700 μs組合波原理圖如圖1[1]所示，電壓波形如圖2[1]所示。

圖1　10/700 μs組合波發(fā)生器的原理圖

圖2　10/700 μs開路電壓波形

2　浪涌防護的原理及常用的器件

當浪涌發(fā)生時，往往會嚴重地影響到電子設備的正常工作，因此需要增加浪涌保護電路，以防危害發(fā)生。浪涌保護器雖然不能阻止浪涌的產生，但是可以防止浪涌產生危害。目前浪涌保護器的工作原理主要有兩種方式：1）將浪涌能量泄放到大地；2）將浪涌電壓幅值鉗位到一個安全的范圍內。

常用的浪涌防護器件主要有功率電阻、壓敏電阻、TVS管和氣體放電管[4]等。

a）功率電阻

功率電阻一般串聯(lián)在線路中，通過限流的方式來有效地解決沖擊電流和電源線上的浪涌電壓。這種做法具有設計簡單、寄生電容幾乎為零、成本低和殘壓高等特點，常用在對價格非常敏感的設備中。

b）壓敏電阻

壓敏電阻是一種伏安特性呈非線性的敏感元件。當壓敏電阻兩端的電壓小于額定幅值時，壓敏電阻處于高阻狀態(tài)；當兩端的電壓受到浪涌沖擊而出現(xiàn)過電壓時，壓敏電阻會因內阻急劇下降而迅速地被導通，并將浪涌能量以熱能的形式消耗掉，從而起到保護線路的作用。將壓敏電阻應用在浪涌防護中時，殘壓和結電容（nF級）都會較大，因此其不適合用于通信線路的防護中，但在供電線路的防護中得到了廣泛的應用。

c）TVS管

TVS（瞬變電壓抑制二極管）是通過硅擴散工藝形成的具有雪崩特性的半導體二極管器件。當在TVS兩端施加的反向電壓的絕對值小于擊穿電壓時，TVS處于高阻狀態(tài)（截止狀態(tài)）；當反向電壓的絕對值大于擊穿電壓時，通過TVS的電流呈指數(shù)型上升，最終TVS會處于反向導通狀態(tài)，從而將兩極間的電壓鉗位在某個固定值。TVS的結電容一般要比壓敏電阻的小得多，但是在高頻接口電路中，要特別注意應選用寄生電容小的TVS管，以免影響信號的質量。

d）氣體放電管

GDT（氣體放電管）是由封裝在玻璃管或者陶瓷管內部的一對電極和內部惰性氣體組成的。氣體放電管并聯(lián)在電路中，正常情況下，其處于截止狀態(tài)，阻抗非常高，可以忽略其對電路的影響。當電路中出現(xiàn)浪涌電壓時，高壓脈沖耦合到電極上，從而電離氣體，惰性氣體導通，大電流放電，有效地消耗掉浪涌能量。氣體電離導通放電具備負阻特性，因此氣體放電管的阻抗呈指數(shù)型降低，可以快速、高效地消耗浪涌能量，保護后級敏感器件。氣體放電管結電容很小，適合用于通信線路的保護，因其具有較高的殘壓，常用作通信線路的第一級保護器。

4種常見的浪涌防護器件的參數(shù)對比情況如表1所示。

表1　4種常用的浪涌防護器件的參數(shù)對比表[4]

3　通信浪涌防護設計及實例

3.1通信端口及其特點

在電子系統(tǒng)中，設備間的協(xié)調工作離不開通信，小到計算機、電視機，大到高鐵、飛機的運行，均離不開數(shù)據(jù)的通信。電子設備的通信端口一般具有以下特征：

1）通信信號頻率相對較高；

2）通信信號電壓幅值較低；

3）通信信號的帶載能力較弱；

4）通信接口一般不接觸電源或動力線，因此浪涌能量相對于直擊雷的能量要小；

5）通信接口很多屬于熱插拔式應用，會受到人體、物體攜帶的靜電ESD的影響。

以RJ 45以太網(wǎng)口和CAN總線端口為例進行浪涌防護的研究與試驗。

a）RJ 45以太網(wǎng)口

以太網(wǎng)具備傳輸速度快、熱插拔、傳輸距離遠和長期通電使用等優(yōu)點，普遍應用于計算機、路由器和交換機等設備中，是當今使用的最多的通信接口之一。在實際應用中，以太網(wǎng)口受感應雷入侵損害的案例屢見不鮮。

b）CAN總線口

CAN總線是控制器局域網(wǎng)絡（CAN：Con troller Area Network）的簡稱，普遍用于嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)中，具有各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強、可靠靈活等優(yōu)點，最大速率可達1 Mbps。CAN總線使用雙線傳輸，一根定義為CAN_H，另一根定義為CAN_L，信號使用差分電壓傳送。CAN總線設備應用的工業(yè)環(huán)境相對較復雜，節(jié)點間的配合較為密切，其接口容易受到各種環(huán)境因素的影響，因而保護其接口不被浪涌干擾也顯得尤為重要，本試驗便采用了嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)中的CAN通信設備。

3.2通信端口的防護

通信端口的浪涌防護通常采用二級保護電路，如圖3所示。第一級保護電路一般采用大功率防雷器件，消耗掉浪涌的絕大部分能量，將高達幾千伏的沖擊電壓進行限制；第二級保護電路則采用穩(wěn)壓器件，進一步地將第一級保護電路的殘壓限制在安全的范圍內，從而保護后級通信電路，使其不受損壞。

圖3　通信端口的二級防護原理圖

在圖3中，第一級保護電路中的防護器件選用空氣放電管，其中，GDT1用于抑制通信線-線之間的浪涌，GDT2、GDT3用于抑制通信線-地之間的浪涌。第二級保護電路中的防護器件采用TVS器件，其中，TVS1用于抑制通信線-線之間的浪涌，TVS2、TVS3用于抑制通信線-地之間的浪涌。PTC1、PTC2為限流電阻。

在實際設計產品時，根據(jù)產品的通信速率、通信距離、應用環(huán)境和性價比等因素，浪涌防護電路會有所差別。在選用防雷器件時應該注意以下幾點。

a）防護器件的動作速度應與產品的傳輸速率相匹配，如果防護器件動作緩慢，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，浪涌的入侵有可能會危害傳輸數(shù)據(jù)，甚至危害到設備的安全。

b）通信設備屬于弱電范疇，后級選用的防護器件的動作電壓必須要足夠低，同時，防護器件的殘壓也必須要足夠低，且不能超過通信電路所允許的最大伏值。

c）由于通信接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?，所以要求寄生電容比較小，因此，在通信端口中，一般不使用寄生電容大的壓敏電阻，而使用寄生電容小的TVS管。

3.3通信端口浪涌防護試驗

3.3.1RJ 45以太網(wǎng)口防雷實例

RJ 45以太網(wǎng)端口浪涌試驗采用百兆以太網(wǎng)防雷電路，防雷電路采用二級防雷設計，第一級采用GDT防雷，第二級采用TVS鉗位，中間使用PPTC熱敏電阻，經(jīng)過二級防雷保護后的信號進入網(wǎng)絡隔離變壓器，最后到達網(wǎng)絡解碼芯片。百兆以太網(wǎng)二級防護電路的原理圖如圖4所示。

圖4　百兆以太網(wǎng)的防護電路原理圖

本例按照YD/T 993標準，進行線-線浪涌測試。隨著浪涌波形從P1進入，U1芯片中的TVS管首先達到其動作電壓而迅速導通，并將隔離變壓器輸入端口的線-線電壓進行鉗位，從而保證了此處的電壓不隨浪涌的干擾而繼續(xù)增加。隨著浪涌電壓的繼續(xù)升高，線-線間電流持續(xù)增加，PPTC溫度上升，電阻增大，電阻上壓降也越來越大，這一方面保護了TVS因過流而損壞，另一方面抑制了沖擊電壓對后級的影響。浪涌電壓持續(xù)上升，并達到了GDT的動作電壓時，GDT迅速地放電，顯著地消耗掉浪涌的沖擊能量，將電壓削弱到低電壓。

進入P1的浪涌組合波形的原始電壓波形如圖5所示。

氣體放電管GDT1（型號EPCOS 90）兩端的電壓波形如圖6所示。浪涌電壓通過第一級保護電路后，電壓到達190 V左右，此時氣體放電管導通，從而迅速地消耗掉絕大部分的浪涌能量，電壓伏值也被削弱到25 V左右。

TVS管（型號SLUV 2.8-4）Pin7和Pin8兩端的電壓波形如圖7所示。從圖7可以看出，由第一級保護電路傳遞過來的浪涌干擾在經(jīng)過第二級保護電路后，浪涌電壓得到了進一步的削弱，峰值被限制到了18 V左右。

網(wǎng)絡隔離變壓器次級的輸出電壓波形如圖8所示。從圖8可以看出浪涌的干擾信號經(jīng)過隔離變壓器后，變成了一個疊加在3.3 V偏置電壓上的小干擾脈沖，其峰值被削減到了幾伏，此伏值已經(jīng)不足以使網(wǎng)絡芯片損壞或者通信發(fā)生故障。

從以上的實驗數(shù)據(jù)可以得知，該二級浪涌保護電路可以有效地保護以太網(wǎng)通信設備的安全，保證通信正常。

圖5　10/700 μs原始浪涌電壓波形

圖6　空氣放電管的兩端電壓波形

圖7　TVS管的兩端電壓波形

圖8　隔離變壓器的次級輸出電壓波形

3.3.2CAN總線端口防雷實例

試驗采用某產品上CAN總線通信通道，產品含有2個模塊：主控制器模塊和TTS語音發(fā)聲設備模塊，2個模塊通過CAN總線連接在一起，實現(xiàn)主控制器命令語音設備發(fā)聲播報，該產品使用TVS管進行防雷保護，其CAN總線通信模塊原理圖如圖9所示。圖中，R1、R2為限流電阻，R3為CAN網(wǎng)絡的阻抗匹配電阻。圖中的TVS2能夠保證CAN通信線之間的電壓不超標；TVS1、TVS3能夠保護CAN通信線與地之間的電壓不超標，最終完成CAN總線接口的浪涌保護。本例使用的TVS的型號為SMBJ 5.0CA。

圖9　CAN總線通信模塊的原理圖

本次試驗將10/700 μs、1.5 kV的浪涌信號分別施加在CAN_ H與地和CAN_L與地之間，CAN_H與地間的電壓波形，即CAN端子P1的第一引腳與地之間的電壓波形圖如圖10所示，CAN_L與地之間的電壓波形，即CAN端子P1的第二引腳與地之間的電壓波形圖如圖11所示。經(jīng)過一級浪涌保護器后，原先高達1.5 kV的浪涌電壓被鉗位到了約18 V。試驗中所采用的CAN總線通信芯片SN65VHD230正常工作時所能承受的極限電壓的范圍為-25～+25 V的浪涌沖擊。因此在該浪涌保護電路的作用下，當1.5 kV的浪涌發(fā)生時，該設備可以正常工作，不受損壞。

圖10　CAN_H與地間的浪涌電壓的波形圖

圖11　CAN_L與地間的浪涌電壓的波形圖

4　結束語

隨著科技的發(fā)展，電子產品朝著高速、低壓方向發(fā)展，通信端口作為廣泛使用的電子接口，其浪涌防護顯得尤為重要，而通信端口的防護要根據(jù)其自身的特點選擇合適的防護器件，否則起不到防護效果。本文通過RJ 45以太網(wǎng)口和CAN總線口這兩個常用的通信端口的浪涌防護試驗，捕捉到了實際電路波形，進一步地說明和理解了通信端口浪涌防護器件的作用和防護電路的原理，為通信端口的浪涌防護提供了一種參考。

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Surge Protection of Communication Port

LAI Lin-xiang
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Abstract：Firstlt，the relevant standards and test waveforms of surge protection are introduced. And then，the principle and common devices of surge protection are expounded. Finallt，based on the analtsis of the characteristics of communication port，the specific measures of the surge protection of the two common communication ports，namely RJ 45 ethernet port and CAN bus port，are introduced，which provides some reference for the surge protection of communication ports.

Key words：communication port；surge standard；surge protection；ethernet port；CAN bus port

作者簡介：賴淋香（1985-），女，福建龍巖人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所工程師，碩士，從事電磁兼容檢測與認證工作。

收稿日期：2015-10-13

基金項目：★高端設備關鍵產品質量與可靠性公共技術服務平臺建設課題（MGJ1425011）項目資助。

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.010

中圖分類號：TN 03

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）02-0046-06