通信端口的浪涌（冲击）防护★

赖淋香

（工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610）



通信端口的浪涌（冲击）防护★

赖淋香

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

摘要：首先，介绍了与浪涌防护有关的标准及试验波形；然后，阐述了浪涌防护的原理及常用器件；最后，在分析通信端口的特点的基础上，以RJ45以太网口和CAN总线口这两个常用的通信端口为例，对其具体的浪涌防护的具体措施进行了介绍，为通信端口的浪涌防护提供了一定的参考。

关键词：通信端口；浪涌防护；浪涌标准；以太网口；控制器局域网总线端口

0　引言

浪涌（冲击）指的是沿线路或电路传送的电流、电压或功率的瞬态波，其特征是先快速地上升，然后再缓慢地下降。电子设备在受浪涌干扰的情况下，可能在它们的电源端口、通信端口和天线端口等部位出现瞬时的、幅值远远高出额定值的脉冲信号。产生浪涌的原因主要有雷击、重型设备启动或关闭和电源切换等。巨大的浪涌能量如果不妥善处理，将会直接影响到设备的正常工作，甚至烧毁设备。雷击浪涌冲击可以分为直接雷浪涌冲击和感应雷浪涌冲击，其中感应雷浪涌沿导体传播，传播距离远，因此破坏面甚广，其主要破坏对象是建筑物内部的弱电设备。通信端口作为弱电设备的一部分，是感应雷的主要受害者之一。通信端口具有快捷、高速、低压和即插即用等特点，是目前数据传输不可替代的设备。因此，做好通信端口的浪涌防护，是保证数据顺利、完整、安全传输的前提。

1　标准及试验波形

GB/T 17626.5-2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验》等同采用国际标准IEC 61000-4-5-2005，其规定了设备对由开关和雷电瞬变过电压引起的单极性浪涌（冲击）的抗扰度的要求，规定了一个一致的试验方法，以评定系统的抗扰度[1]。

YD/T 993-1998《电信终端设备防雷技术要求及试验方法》规定了电信终端设备的防雷击技术要求及试验方法，是电信终端设备雷电防护设计和雷击过电压试验的技术依据[2]。

以上两个标准既有区别又有紧密的联系。GB/T 17626.5属于基础标准，它规定了实现电磁兼容的一般基础条件和规则，规定了测量技术、试验方法和适用性等，一般不涉及具体的产品。YD/T 993属于产品类标准，其规定了专门针对电信终端设备的浪涌抗扰度要求和相对详细的试验程序。产品类标准通常尽可能地引用基础标准[3]，例如：YD/T 993中的浪涌试验中使用的10/700 μs的浪涌波参考的便是GB/T 17626.5中的浪涌波形。

对通信端口RJ45以太网口和CAN总线通信口进行浪涌试验，首先需要选择适当的标准。由于RJ45以太网口属于电信端口，因此，根据标准YD/T 993，使用10/700 μs组合波发生器对其进行5 kV电压等级的线-线浪涌试验（浮地产品不做线-地浪涌试验）。CAN总线端口的浪涌试验的试验方法和试验波形则参考基础标准GB/T 17626.5，标准附录A要求对于连接到对称通信线的端口，使用10/700 μs组合波发生器，仅进行线-地浪涌测试，根据制造商的需求，亦选择开路试验电压为1.5 kV的试验等级。10/700 μs组合波原理图如图1[1]所示，电压波形如图2[1]所示。

图1　10/700 μs组合波发生器的原理图

图2　10/700 μs开路电压波形

2　浪涌防护的原理及常用的器件

当浪涌发生时，往往会严重地影响到电子设备的正常工作，因此需要增加浪涌保护电路，以防危害发生。浪涌保护器虽然不能阻止浪涌的产生，但是可以防止浪涌产生危害。目前浪涌保护器的工作原理主要有两种方式：1）将浪涌能量泄放到大地；2）将浪涌电压幅值钳位到一个安全的范围内。

常用的浪涌防护器件主要有功率电阻、压敏电阻、TVS管和气体放电管[4]等。

a）功率电阻

功率电阻一般串联在线路中，通过限流的方式来有效地解决冲击电流和电源线上的浪涌电压。这种做法具有设计简单、寄生电容几乎为零、成本低和残压高等特点，常用在对价格非常敏感的设备中。

b）压敏电阻

压敏电阻是一种伏安特性呈非线性的敏感元件。当压敏电阻两端的电压小于额定幅值时，压敏电阻处于高阻状态；当两端的电压受到浪涌冲击而出现过电压时，压敏电阻会因内阻急剧下降而迅速地被导通，并将浪涌能量以热能的形式消耗掉，从而起到保护线路的作用。将压敏电阻应用在浪涌防护中时，残压和结电容（nF级）都会较大，因此其不适合用于通信线路的防护中，但在供电线路的防护中得到了广泛的应用。

c）TVS管

TVS（瞬变电压抑制二极管）是通过硅扩散工艺形成的具有雪崩特性的半导体二极管器件。当在TVS两端施加的反向电压的绝对值小于击穿电压时，TVS处于高阻状态（截止状态）；当反向电压的绝对值大于击穿电压时，通过TVS的电流呈指数型上升，最终TVS会处于反向导通状态，从而将两极间的电压钳位在某个固定值。TVS的结电容一般要比压敏电阻的小得多，但是在高频接口电路中，要特别注意应选用寄生电容小的TVS管，以免影响信号的质量。

d）气体放电管

GDT（气体放电管）是由封装在玻璃管或者陶瓷管内部的一对电极和内部惰性气体组成的。气体放电管并联在电路中，正常情况下，其处于截止状态，阻抗非常高，可以忽略其对电路的影响。当电路中出现浪涌电压时，高压脉冲耦合到电极上，从而电离气体，惰性气体导通，大电流放电，有效地消耗掉浪涌能量。气体电离导通放电具备负阻特性，因此气体放电管的阻抗呈指数型降低，可以快速、高效地消耗浪涌能量，保护后级敏感器件。气体放电管结电容很小，适合用于通信线路的保护，因其具有较高的残压，常用作通信线路的第一级保护器。

4种常见的浪涌防护器件的参数对比情况如表1所示。

表1　4种常用的浪涌防护器件的参数对比表[4]

3　通信浪涌防护设计及实例

3.1通信端口及其特点

在电子系统中，设备间的协调工作离不开通信，小到计算机、电视机，大到高铁、飞机的运行，均离不开数据的通信。电子设备的通信端口一般具有以下特征：

1）通信信号频率相对较高；

2）通信信号电压幅值较低；

3）通信信号的带载能力较弱；

4）通信接口一般不接触电源或动力线，因此浪涌能量相对于直击雷的能量要小；

5）通信接口很多属于热插拔式应用，会受到人体、物体携带的静电ESD的影响。

以RJ 45以太网口和CAN总线端口为例进行浪涌防护的研究与试验。

a）RJ 45以太网口

以太网具备传输速度快、热插拔、传输距离远和长期通电使用等优点，普遍应用于计算机、路由器和交换机等设备中，是当今使用的最多的通信接口之一。在实际应用中，以太网口受感应雷入侵损害的案例屡见不鲜。

b）CAN总线口

CAN总线是控制器局域网络（CAN：Con troller Area Network）的简称，普遍用于嵌入式工业控制局域网中，具有各个节点之间的数据通信实时性强、可靠灵活等优点，最大速率可达1 Mbps。CAN总线使用双线传输，一根定义为CAN_H，另一根定义为CAN_L，信号使用差分电压传送。CAN总线设备应用的工业环境相对较复杂，节点间的配合较为密切，其接口容易受到各种环境因素的影响，因而保护其接口不被浪涌干扰也显得尤为重要，本试验便采用了嵌入式工业控制系统中的CAN通信设备。

3.2通信端口的防护

通信端口的浪涌防护通常采用二级保护电路，如图3所示。第一级保护电路一般采用大功率防雷器件，消耗掉浪涌的绝大部分能量，将高达几千伏的冲击电压进行限制；第二级保护电路则采用稳压器件，进一步地将第一级保护电路的残压限制在安全的范围内，从而保护后级通信电路，使其不受损坏。

图3　通信端口的二级防护原理图

在图3中，第一级保护电路中的防护器件选用空气放电管，其中，GDT1用于抑制通信线-线之间的浪涌，GDT2、GDT3用于抑制通信线-地之间的浪涌。第二级保护电路中的防护器件采用TVS器件，其中，TVS1用于抑制通信线-线之间的浪涌，TVS2、TVS3用于抑制通信线-地之间的浪涌。PTC1、PTC2为限流电阻。

在实际设计产品时，根据产品的通信速率、通信距离、应用环境和性价比等因素，浪涌防护电路会有所差别。在选用防雷器件时应该注意以下几点。

a）防护器件的动作速度应与产品的传输速率相匹配，如果防护器件动作缓慢，在数据传输的过程中，浪涌的入侵有可能会危害传输数据，甚至危害到设备的安全。

b）通信设备属于弱电范畴，后级选用的防护器件的动作电压必须要足够低，同时，防护器件的残压也必须要足够低，且不能超过通信电路所允许的最大伏值。

c）由于通信接口数据传输的速度快，所以要求寄生电容比较小，因此，在通信端口中，一般不使用寄生电容大的压敏电阻，而使用寄生电容小的TVS管。

3.3通信端口浪涌防护试验

3.3.1RJ 45以太网口防雷实例

RJ 45以太网端口浪涌试验采用百兆以太网防雷电路，防雷电路采用二级防雷设计，第一级采用GDT防雷，第二级采用TVS钳位，中间使用PPTC热敏电阻，经过二级防雷保护后的信号进入网络隔离变压器，最后到达网络解码芯片。百兆以太网二级防护电路的原理图如图4所示。

图4　百兆以太网的防护电路原理图

本例按照YD/T 993标准，进行线-线浪涌测试。随着浪涌波形从P1进入，U1芯片中的TVS管首先达到其动作电压而迅速导通，并将隔离变压器输入端口的线-线电压进行钳位，从而保证了此处的电压不随浪涌的干扰而继续增加。随着浪涌电压的继续升高，线-线间电流持续增加，PPTC温度上升，电阻增大，电阻上压降也越来越大，这一方面保护了TVS因过流而损坏，另一方面抑制了冲击电压对后级的影响。浪涌电压持续上升，并达到了GDT的动作电压时，GDT迅速地放电，显著地消耗掉浪涌的冲击能量，将电压削弱到低电压。

进入P1的浪涌组合波形的原始电压波形如图5所示。

气体放电管GDT1（型号EPCOS 90）两端的电压波形如图6所示。浪涌电压通过第一级保护电路后，电压到达190 V左右，此时气体放电管导通，从而迅速地消耗掉绝大部分的浪涌能量，电压伏值也被削弱到25 V左右。

TVS管（型号SLUV 2.8-4）Pin7和Pin8两端的电压波形如图7所示。从图7可以看出，由第一级保护电路传递过来的浪涌干扰在经过第二级保护电路后，浪涌电压得到了进一步的削弱，峰值被限制到了18 V左右。

网络隔离变压器次级的输出电压波形如图8所示。从图8可以看出浪涌的干扰信号经过隔离变压器后，变成了一个叠加在3.3 V偏置电压上的小干扰脉冲，其峰值被削减到了几伏，此伏值已经不足以使网络芯片损坏或者通信发生故障。

从以上的实验数据可以得知，该二级浪涌保护电路可以有效地保护以太网通信设备的安全，保证通信正常。

图5　10/700 μs原始浪涌电压波形

图6　空气放电管的两端电压波形

图7　TVS管的两端电压波形

图8　隔离变压器的次级输出电压波形

3.3.2CAN总线端口防雷实例

试验采用某产品上CAN总线通信通道，产品含有2个模块：主控制器模块和TTS语音发声设备模块，2个模块通过CAN总线连接在一起，实现主控制器命令语音设备发声播报，该产品使用TVS管进行防雷保护，其CAN总线通信模块原理图如图9所示。图中，R1、R2为限流电阻，R3为CAN网络的阻抗匹配电阻。图中的TVS2能够保证CAN通信线之间的电压不超标；TVS1、TVS3能够保护CAN通信线与地之间的电压不超标，最终完成CAN总线接口的浪涌保护。本例使用的TVS的型号为SMBJ 5.0CA。

图9　CAN总线通信模块的原理图

本次试验将10/700 μs、1.5 kV的浪涌信号分别施加在CAN_ H与地和CAN_L与地之间，CAN_H与地间的电压波形，即CAN端子P1的第一引脚与地之间的电压波形图如图10所示，CAN_L与地之间的电压波形，即CAN端子P1的第二引脚与地之间的电压波形图如图11所示。经过一级浪涌保护器后，原先高达1.5 kV的浪涌电压被钳位到了约18 V。试验中所采用的CAN总线通信芯片SN65VHD230正常工作时所能承受的极限电压的范围为-25～+25 V的浪涌冲击。因此在该浪涌保护电路的作用下，当1.5 kV的浪涌发生时，该设备可以正常工作，不受损坏。

图10　CAN_H与地间的浪涌电压的波形图

图11　CAN_L与地间的浪涌电压的波形图

4　结束语

随着科技的发展，电子产品朝着高速、低压方向发展，通信端口作为广泛使用的电子接口，其浪涌防护显得尤为重要，而通信端口的防护要根据其自身的特点选择合适的防护器件，否则起不到防护效果。本文通过RJ 45以太网口和CAN总线口这两个常用的通信端口的浪涌防护试验，捕捉到了实际电路波形，进一步地说明和理解了通信端口浪涌防护器件的作用和防护电路的原理，为通信端口的浪涌防护提供了一种参考。

参考文献：

[1]全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验：GB/T 17626.5-2008 [S] .北京：中国标准出版社，2008.

[2]邮电部电信科学研究规划院.电信终端设备防雷技术要求及试验方法：YD/T 993-1998 [S] .

[3]全国无线电干扰标准化技术委员会和全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容标准实施指南[M] .北京：中国标准出版社，1999.

[4]陈立辉，朱文立，杨林，等.电磁兼容（EMC）设计与测试之家用电器[M] .北京：电子工业出版社，2014.

[5]秦文娟，王海波.导弹感性负载驱动电路浪涌防护技术探讨[J] .电子产品可靠性与环境试验，2008，26（6）：12-15.

[6]丁志尧，宋文武，方重华，等.对电子设备的雷电浪涌防护[J] .装备环境工程，2009，6（6）：84-87.

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

作者简介：赖淋香（1985-），女，福建龙岩人，工业和信息化部电子第五研究所工程师，硕士，从事电磁兼容检测与认证工作。

收稿日期：2015-10-13

基金项目：★高端设备关键产品质量与可靠性公共技术服务平台建设课题（MGJ1425011）项目资助。

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.010

中图分类号：TN 03

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）02-0046-06