电子通讯设备的雷击浪涌保护设计

1电子通讯设备的雷击浪涌保护设计范大祥1问题的提出雷电会给电子通讯设备及其相关的建筑物、输电线、信号电缆、操作人员造成危害，导致设备故障、通讯中断甚至设备烧毁，酿成严重事故,使国家和人民的生命财产遭受重大损失。这样的事例屡见不鲜。我们公司的产品在运行现场遭受雷击的事件也时有发生，损失惨重，造成的后果无法估量，令人痛心。笔者对公司多种产品进行过考察，发现雷击浪涌保护设计不够完善，有的产品没有采取雷击浪涌保护措施，如多种设备的E1接口；有的产品保护措施不当，如保护电路拓扑结构错误，安装位置错误；有的保护器件参数选择不合理，不分析电路环境而盲目照搬。这些就是导致产品的雷击浪涌抗扰性不高，遭受雷击后损失严重的根本原因。为确保公司产品的安全运行，减少雷击浪涌造成的损失，必须对电子通讯设备进行雷击浪涌保护设计。2雷电的产生、效应和试验波形2.1雷电的产生雷电是放电路径长度为数千米的瞬时大电流放电。雷雨云中空气的流动和翻滚产生强烈的静电荷区，当电荷及相应的电场强度大到足以使空气击穿时，就产生了雷电。雷电可以发生在云内、云间、云地间或云与周围空气之间。人们最关心的是云对地雷电（包括直击雷和感应雷）。据统计，云对地雷电的一次闪击，平均持续时间为5.5μs，最大峰值电流达150KA，最大di/dt达32KA/μs。2.2雷电的效应雷电具有高电压、大电流和瞬时性的特点，雷电放电可以产生机械、热和电的效应。⑴机械和热效应上升速度快、峰值幅度高的雷击电流，会产生强大的电磁力，使放电通道上的金属部件损坏或扭曲。雷击电流产生的热量足以使放电通道上的金属部件熔穿或烧成孔洞、使金属2部件的连接点如螺丝和焊点等熔化。⑵电效应雷电可能对建筑物、结构物和户外设备直接放电，快速上升和大幅值的电流脉冲以及由此形成的高电压会对放电点的物体造成毁灭性的打击。变化率极大的雷电流会在邻近导体上产生电磁感应电压，袭击架空线和地下电缆。雷电产生的静电场、电磁场、雷电波、感应电压、地电位反击等，统称雷电电磁脉冲LEMP，会严重干扰电子通讯设备的正常工作，使绝缘击穿、参数劣化、元器件失效、设备故障甚至烧毁。2.3试验波形为了对设备进行雷击浪涌抗扰性试验，对设备的雷击浪涌抗扰性以及相应的保护器件有统一的描述标准，IEC定义了多种试验波形，图1是10/1000s电流波形。t1=10S为电流到达峰值Ipp的时间，称为波前时间，t2=1000s为电流衰减到Ipp/2的时间，称为半峰值时间。3术语定义⑴地接地系统中所指的地，一般指土地，具有导电的特性，能有效地吸收和发散电流。⑵接地线（地线）把电子通讯设备必须接地的各个部分连接到接地汇集线的导线⑶接地汇集线用于汇集接地线的金属构件。⑷接地引下线图110/1000s电流波形IppIpp/2It1t2t（（3从接地汇集线连接到接地网的导线。⑸接地网（地网）接地体与接地体互相连接而组成的整体。⑹工作地信号回路的电位基准点（一般是直流电源的负极或零伏点），又称系统地或电源地。⑺保护地连接保护元器件接地引出端及其到接地汇集线的地线。⑻机壳地连接设备的机壳及其到接地汇集线的地线。⑼防雷地为防直击雷而在建筑物上安装的连接各种接闪器至接地网的地线。4电子通讯设备雷击浪涌保护的基本要求电子通讯设备的雷击浪涌保护主要有以下要求。4.1电子通讯设备的外连线和接口线都有可能遭受雷击，比如交流供电线、用户线、ISDN接口线、中继线、天馈线等，所以这些外连线和接口线均应采取雷击保护措施。如YDN065-1997《邮电部电话交换设备总技术规范书》规定：所有线路都应该在总配线架安装过压保护器。安装在交换局总配线架上的保安单元，称为一级保护，交换设备本身采取的防护措施称为二级保护。4.2由于雷击瞬间的电压、电流很大，所以防雷设计不能用系统的工作地线作为雷电流泄放通道接线，必须通过防雷地和保护地实现雷电流的泄放。4.3作为电流泄放通路的保护地在雷击时通过很大的电流冲击，所以保护地应尽可能粗，地线长度应尽可能短，使接地电阻尽可能小，减少雷电流对内部电路的冲击；保护地除了与保护元件相连以外，不能与其它任何元器件相连，不可以与其它地线相连；保护地与其它焊盘、走线之间的距离愈大愈好。4.4雷击浪涌保护器件应布局在尽可能靠近插座的位置或印制版的边缘位置。4.5对于较大的设备，工作地、保护地和机壳应分别用接地线引至接地汇集线上。对于较小的设备，可以将工作地和保护地在机壳接地螺栓处相连再用地线引至接地汇集线上。4.6所有接地线与接地汇集线连接时，均要用接线鼻、螺栓及弹簧垫片紧固，严禁接地线直接用螺栓固定在接地汇集线上，以保证固定可靠和减少接触电阻。44.7接地汇集线应通过接地引入线就近与地网连接，机房的接地引入线宜采用不小于50×5mm的镀锌扁钢或截面积不小于150mm2的多股铜导线，钢与铜的连接处应采用气焊焊接。4.8天线馈线的金属外护层应在机房入口处就近接至接地汇集线上。以免把雷电引入室内。4.9建筑物的的防雷地应直接连接到地网，防雷接地线与避雷针和地网的连接应焊接或压接。4.10通信局（站）的接地方式，应严格按照联合接地的原则设计，即通信设备的工作地、保护地及建筑物的防雷地共用一个地网，以避免地电位反击。5电子通讯设备的雷击浪涌保护设计以下讨论的是电子通讯设备几种重要接口用于二级保护的雷击浪涌保护电路。5.1雷击浪涌保护器件及其选择方法电子通讯设备在印制板上进行雷击浪涌保护（二级保护）通常由三种器件来实现：PTC（正温度系数）热敏电阻，简称PTC；瞬态电压抑制器，简称TVS；箝位二极管。5.1.1PTC（正温度系数）热敏电阻及其选择方法PTC（正温度系数）热敏电阻又称为自复保险丝，串联在电路中实现过流保护。PTC通常由特殊处理过的聚合树脂及导体组成。在正常情况下，聚合树脂把导体束缚在结晶状的结构内，构成低阻抗的导电体。当电路出现异常电流急剧增大时，器件的温度瞬间上升，被束缚在聚合树脂上的导体便会分离，导致阻抗迅速提高，从而把电流限制在一定的范围内，保护电路免遭损坏。PTC（正温度系数）热敏电阻的选择方法如下：⑴由设备线路上的平均工作电流I及工作电压V选择一种合适的系列。⑵PTC热敏电阻的参数通常是以环境温度20℃为标准的，当设备的内部环境温度大于20℃时，通过的电流会降低，用电流折减率来表示，根据设备内部最高环境温度查出电流折减率，计算额定电流计算值IH=I/电流折减率⑶在选定的系列中选择一种参数最接近的型号，器件的IH和VMAX值必须分别大于或等于额定电流计算值IH和线路工作电压V值。55.1.2瞬态电压抑制器及其选择方法瞬态电压抑制器是一种新型的半导体保护器件，并联在电路中实现过压保护。TVS的原理是二极管的雪崩效应。当电压达到击穿电压时，TVS进入伏安特性的雪崩击穿区，流过TVS的电流急剧增大，而TVS两端的电压几乎不变，当电流继续增大，TVS进入负阻特性区，两端的电压反而减小，从而使大电流旁路并使电压箝位在被保护的电路能经受住的范围内。TVS的典型伏安特性如图2所示。VRM*（Stand-offvoltage）为截止电压，VBR（Breakovervoltage）为击穿电压，IPP（Peakpulsecurrent）为峰值脉冲电流。*该参数有的厂家记为VＤRM（off-statevoltage）。图2TVS的伏安特性TVS最重要的三个参数是截止电压VRM，峰值脉冲电流IPP和输入电容C（又称结电容）。这三个参数选择得是否合适直接影响着雷击保护的效果。对于VRM，从雷击保护的角度，该参数应取较小值，从不影响正常工作的角度，该参数应取较大值。所以，应兼顾两个方面折衷考虑。设正常工作时的峰值电压为V工作。根据有关文献介绍和实际经验，可按下式取值：VRM=（1.1～1.2）V工作………………………………………………..⑴对于IPP，应选择该值大于电路中预期出现的雷击浪涌电流值。对于输入电容C，应保证不对电路的正常工作造成影响，不对传送的波形产生畸变。接口信号工作频率与并联的保护器件允许的输入电容值如表1所示。VVBRVBRIIPPVRMVRM6表1接口信号工作频率与并联的保护器件允许的输入电容值频率输入电容频率输入电容频率输入电容15KHz800pF20KHz700pF30KHz600pF55KHz500pF70KHz400pF39KHz～125KHz300pF80KHz～300KHz200pF200KHz～1MHz120pF225KHz～1MHz100～120pF500KHz～2MHz75pF800KHz～3MHz63pF1MHz～5MHz50pF5MHz～30MHz25pF20MHz～100MHz15pF30MHz～150MHz10pF150MHz～600MHz5pF700MHz～3000MHz2.5pF————5.1.3箝位二极管及其选择方法对于一些重要的接口，在变压器的电路侧，仍会有从线路侧耦合过来的的残余雷击浪涌信号，须要二极管把电压箝制在一定的范围内，实质上是利用二极管的正向导通特性。把残余雷击浪涌信号引导到抗扰性较强的电源和地上去。箝位二极管要求响应速度快、正向压降低、输入电容小，输入电容值同样要满足表1的要求。忌用分离器件，可选专用于此种用途的集成化的二极管阵列。5.2二线模拟Z接口的雷击浪涌保护电路二线模拟Z接口的雷击浪涌保护电路如图3所示：图3二线模拟Z接口的雷击浪涌保护电路5.2.1PTC的选择模拟用户电路的平均工作电流及工作电压分别为40mA和48V，设备内部最高环境温度为60℃，要求PTC热敏电阻的常温阻值的容差要小，以保证tip-ring线对平衡。PTC热敏电PTC铃流发生器TIPabPTCRINGSLICTVS1TVS2铃流继电器GNDGND7阻选用步骤如下：⑴线路工作电压为48V，又考虑到用户电话线可能与交流220V供电线直接接触，查产品手册（以Raychem公司的产品为例）选择TR系列（最大工作电压为60V，最大电压为250V或600V）⑵查产品手册，环境温度为60℃时，TR系列的电流折减率为64%额定电流计算值IH=I/电流折减率=0.04/0.64=0.0625（A）⑶在TR系列中选择，合适的型号为：TR250-120T-R1-B-0.55.2.2TVS的选择考虑到SLIC的馈电电压V馈电=48V，而铃流发生器的峰值电压V铃流=751.414+48=154V，为使铃流继电器和SLIC均得到有效的保护，故采用了两级TVS，但两级TVS的截止电压是不同的。设TVS1和TVS2的截止电压分别为VRM1和VRM2，根据⑴式，有VRM1=（1.1～1.2）V铃流=（1.1～1.2）154=169～185（V）VRM2=（1.1～1.2）V馈电=（1.1～1.2）48=53～58（V）IPP的取值，对于10/1000μS波形，可取35A或75A。查表1,当信号频率为4kHz时，输入电容800pF即可满足要求。综上所述，TVS1和TVS2可如下选择：TVS1可选：THBT200S（VRM=180V，IPP=75A，C=200pF）或THBT200S1（VRM=180V，IPP=35A，C=200pF）或TISP7240F3（VRM=180V，IPP=35A，C=90pF）。TVS2可选：THDT58S（VRM=56V，IPP=75A，C=400pF）或THDT58S1（VRM=56V，IPP=35A，C=200pF）或TISP1072F3（VRM=58V，IPP=35A，C=240pF）。THBT系列和THDT系列器件是ST公司的产品，TISP系列器件是PI公司的产品。5.3ISDN-U接口的雷击浪涌保护电路ISDN-U接口的雷击浪涌保护电路如图5所示。PTC按5.1.1介绍的方法选择，不再赘述。TVS的截止电压VRM根据图中直流电源电压按⑴式确定。例：某电子通讯设备的基站采用远端供电的方式，由基站控制器通过U接口向基站馈电，馈电电压为110V，信号频率为144KHz，则TVS的8VRM=（1.1～1.2）V馈电=（