【硬件設(shè)計】防雷電路實例分析
廣州致遠電子有限公司的環(huán)境動力監(jiān)控系統(tǒng)中，對所有的端口都進行了防雷保護設(shè)計，其中包括220V交流電源防雷設(shè)計、以太網(wǎng)防雷保護、DI輸入端口防雷保護、AI輸入端口防雷保護、RS232/RS485防雷保護，下面將對這些防雷保護電路一一進行分析。
1.1.1220V交流電源防雷保護用
環(huán)境動力監(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電路詳見圖1
圖1 220V交流電源防雷保護電路
由于采用了復合對稱電路與共模、差模全保護，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，一般也不會引起火災(zāi)。根據(jù)實際的使用經(jīng)驗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過電壓的多次沖擊，壓敏電阻的漏電流迅速增加發(fā)熱導致短路失效。壓敏的短路失效將造成整個供電線路的短路故障，并引起著火、爆炸等威脅到人身和財產(chǎn)安全的嚴重事故。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，如果因為雷擊損壞時，其隔離的熔斷保險絲將同時熔斷，主機CPU可以在LS_Check端檢測到相應(yīng)的信號，從而起到雷擊損壞報警功能。
表1壓敏電阻值選擇一覽表
| 額定電壓波動范圍 | ＜10% | 10～15% | 15～20% | 20～30% | ≥30% |
|---|---|---|---|---|---|
| 220V～240V | 470V | 510V | 560V | 620V | ≥680V |
| 110V～120V | 240V | 270V | 270V | 300V | ≥330V |
| 380V～415V | 820V | 910V | 1000V | 1100V | ≥1500V |
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選高一點，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)，每個壓敏電阻都要單獨串聯(lián)溫度保險管，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。當要求的通流容量≤3KA時，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
隨著以太網(wǎng)技術(shù)在基站和機房監(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)備大都用在機房和大樓的里面，機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，其保護指標很低（差模500V，共模1000V），當設(shè)備使用在基站中時，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，這樣連接點從原來的1個，增加為3個，故障率也增加了3倍。同時網(wǎng)口傳輸?shù)氖?0M/100M高速信號，而外加防雷器的分布電容很大，對網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸會有影響，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。
圖2 以太網(wǎng)口防雷電路
在環(huán)境動力監(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。
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防護電路，極大的增強了網(wǎng)口的差模防護能力。第一限流電阻R80、R82、R84、R88和氣體放電管EA16、EA17組成了一級防護電路，對雷擊的浪涌電壓進行第一級保護，具有泄放雷電暫態(tài)過電流和限流過電壓作用。一級防護電路可以產(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防護電路，對差分信號進行雙向殘壓吸收，對雷擊的浪涌電壓進行第二級保護，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。在兩級防護電路的作用下，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。
在一級防護電路中，氣體放電管的寄生電容很??；在二級防護電路中，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，大大降低了二級防護電路中TVS管過大的結(jié)電容。所以，本網(wǎng)口防雷電路不會影響網(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，在本電路中R80、R82、R84、R88的電阻值為4.7Ω。為了保護網(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)送信號線的防雷電路和接收信號線的防雷電路可以共用一個UFS08A2.8L04芯片，大大的減小了電路的體積和分布電容的影響。
1.1.3 AI/DI輸入端口防雷保護
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管組成的兩級防護電路，詳見圖3和圖4。
圖3 DI端口防雷電路
在圖3和圖4中，我們可以看到AI防雷保護電路與DI防雷保護電路存在的區(qū)別，在DI防雷保護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4~20mA電流和電壓進行測量，因此我們在精度范圍內(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的取值計算方法為：以 8/20us 沖擊電流為準，測得在設(shè)計通流容量下壓敏電阻的殘壓值 U1，查 TVS 器件手冊得到 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間T1＝8us，視在半峰值時間T 2＝20us。
圖4AI端口防雷電路
