模擬雷擊試驗(yàn)：電子設(shè)備雷電防護(hù)性能的驗(yàn)證與分析

一、引言

雷電是自然界中最具破壞性的電磁現(xiàn)象之一，其釋放的巨大能量可通過(guò)直接擊中、感應(yīng)耦合或傳導(dǎo)等方式侵入電子設(shè)備，引發(fā)浪涌電壓/電流沖擊，導(dǎo)致部件損壞、功能失效甚至系統(tǒng)崩潰。隨著現(xiàn)代電子設(shè)備向高精度、高集成度發(fā)展，其對(duì)雷電脈沖的耐受能力愈發(fā)成為可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。模擬雷擊試驗(yàn)作為評(píng)估設(shè)備雷電防護(hù)性能的核心手段，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中復(fù)現(xiàn)真實(shí)雷電的電磁效應(yīng)，為設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性驗(yàn)證提供了科學(xué)依據(jù)。本文以某通用電子設(shè)備為例，系統(tǒng)闡述模擬雷擊試驗(yàn)的背景、流程、數(shù)據(jù)分析及，旨在為同類試驗(yàn)的開(kāi)展提供參考。

二、試驗(yàn)背景與目的

（一）背景

據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）統(tǒng)計(jì)，每年因雷電導(dǎo)致的電子設(shè)備損壞事故占比約15%，直接經(jīng)濟(jì)損失超百億美元。在工業(yè)控制、通信、電力等領(lǐng)域，設(shè)備一旦因雷電失效，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)（如生產(chǎn)線停機(jī)、通信中斷），造成更大范圍的損失。因此，各國(guó)均通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 61000-4-5《電磁兼容性 第4-5部分：試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)》、GB/T 17626.5《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)》）強(qiáng)制要求電子設(shè)備具備一定的雷電浪涌耐受能力。

（二）目的

本試驗(yàn)的核心目標(biāo)是：

1. 驗(yàn)證被試設(shè)備（EUT，Equipment Under Test）對(duì)雷電浪涌脈沖的抗擾度，確定其在規(guī)定電壓等級(jí)下的功能穩(wěn)定性；
2. 識(shí)別設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)（如電源接口、通信端口），為防護(hù)電路設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方向；
3. 評(píng)估設(shè)備防護(hù)措施（如壓敏電阻、浪涌保護(hù)器（SPD））的有效性；
4. 為設(shè)備的認(rèn)證（如CE、CCC）提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

三、試驗(yàn)準(zhǔn)備

（一）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與依據(jù)

本試驗(yàn)嚴(yán)格遵循IEC 61000-4-5:2014標(biāo)準(zhǔn)，采用“1.2/50μs（電壓脈沖）+8/20μs（電流脈沖）”的組合波形，該波形是模擬雷電感應(yīng)浪涌的典型波形（1.2μs為脈沖上升時(shí)間，50μs為脈沖半峰值時(shí)間；8μs為電流上升時(shí)間，20μs為電流半峰值時(shí)間）。

（二）試驗(yàn)設(shè)備

1. 浪涌脈沖發(fā)生器：輸出電壓范圍0~6kV（峰值），電流范圍0~3kA（峰值），滿足IEC 61000-4-5對(duì)波形參數(shù)的要求；
2. 耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)（CDN，Coupling/Decoupling Network）：用于將浪涌脈沖耦合到EUT的電源或信號(hào)線上，同時(shí)防止脈沖反饋至電網(wǎng)影響其他設(shè)備；
3. 示波器：帶寬≥500MHz，采樣率≥2GS/s，用于捕捉浪涌脈沖波形及EUT的響應(yīng)信號(hào)；
4. 被試設(shè)備（EUT）：某型工業(yè)控制終端，包含電源模塊、CPU板、通信接口（RS485、以太網(wǎng)）及輸入輸出（I/O）模塊；
5. 輔助設(shè)備：直流電源（為EUT供電）、信號(hào)發(fā)生器（模擬EUT的輸入信號(hào)）、萬(wàn)用表（測(cè)量電壓/電流參數(shù)）。

（三）試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)在電磁兼容（EMC）實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境條件：溫度23±2℃，相對(duì)濕度45%~65%，大氣壓力86~106kPa。實(shí)驗(yàn)室接地系統(tǒng)電阻≤0.5Ω，避免接地不良對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

（四）預(yù)處理

試驗(yàn)前對(duì)EUT進(jìn)行初始性能測(cè)試，記錄關(guān)鍵參數(shù)：

• 電源輸入電壓：DC 24V，波動(dòng)范圍≤±5%；
• 通信接口傳輸速率：RS485為9600bps，以太網(wǎng)為100Mbps；
• I/O模塊響應(yīng)時(shí)間：≤10ms；
• 功能驗(yàn)證：模擬輸入信號(hào)（如溫度、壓力）時(shí)，EUT能正確采集、顯示并輸出控制信號(hào)。

四、試驗(yàn)過(guò)程

（一）試驗(yàn)配置

根據(jù)IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)，采用“線-地（L-G）”和“線-線（L-L）”兩種耦合方式，分別模擬相線與接地端、相線之間的浪涌脈沖。具體連接方式如下：

1. 電源端口試驗(yàn)：將CDN串聯(lián)在EUT的電源輸入線與直流電源之間，浪涌發(fā)生器通過(guò)CDN向電源正極（L+）與接地端（GND）施加浪涌脈沖；
2. 通信端口試驗(yàn)：將CDN串聯(lián)在EUT的RS485接口（A、B線）與信號(hào)發(fā)生器之間，浪涌發(fā)生器通過(guò)CDN向A線與GND、B線與GND施加浪涌脈沖；
3. I/O端口試驗(yàn)：將CDN串聯(lián)在EUT的數(shù)字輸入線（DI）與信號(hào)發(fā)生器之間，浪涌發(fā)生器向DI線與GND施加浪涌脈沖。

（二）脈沖施加規(guī)則

1. 極性：分別施加正極性（+）和負(fù)極性（-）浪涌脈沖，每種極性測(cè)試5次；
2. 電壓等級(jí)：從1kV開(kāi)始，逐步提升至6kV（每級(jí)間隔1kV），每級(jí)電壓測(cè)試完成后檢查EUT狀態(tài)；
3. 脈沖間隔：每次脈沖間隔≥1分鐘，避免EUT因連續(xù)沖擊產(chǎn)生累積損傷。

（三）監(jiān)測(cè)與記錄

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)以下方式監(jiān)測(cè)EUT的響應(yīng)：

1. 波形監(jiān)測(cè)：用示波器同時(shí)捕捉浪涌發(fā)生器的輸出波形（電壓/電流）和EUT輸入端口的實(shí)際承受波形，驗(yàn)證脈沖參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；
2. 狀態(tài)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)觀察EUT的指示燈、顯示屏狀態(tài)，記錄是否出現(xiàn)死機(jī)、重啟、顯示異常等現(xiàn)象；
3. 性能監(jiān)測(cè)：在每級(jí)電壓測(cè)試后，重新進(jìn)行初始性能測(cè)試，比較參數(shù)變化（如電源電壓波動(dòng)、通信誤碼率、I/O響應(yīng)時(shí)間）；
4. 損壞檢查：若EUT出現(xiàn)功能失效，立即停止試驗(yàn)，拆機(jī)檢查損壞部件（如電源模塊的壓敏電阻、通信接口的瞬態(tài)抑制二極管（TVS））。

五、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）總體結(jié)果概述

表1 不同端口的浪涌耐受電壓（單位：kV）

（二）詳細(xì)分析

1. 電源端口：

   • 當(dāng)施加1~3kV浪涌脈沖時(shí)，EUT無(wú)異常，電源電壓波動(dòng)≤±3%（符合設(shè)計(jì)要求）；
   • 當(dāng)施加4kV脈沖時(shí)，電源模塊的壓敏電阻（MOV）動(dòng)作，將電壓鉗位至30V（低于EUT的最大耐受電壓36V），EUT短暫重啟后恢復(fù)正常；
   • 當(dāng)施加5kV脈沖時(shí)，MOV因過(guò)流損壞（阻值變?yōu)?Ω），導(dǎo)致電源短路，EUT無(wú)法開(kāi)機(jī)。
   • 分析：電源模塊的防護(hù)措施（MOV+保險(xiǎn)絲）在4kV以下有效，但MOV的通流容量不足（設(shè)計(jì)值為2kA，實(shí)際脈沖電流達(dá)2.5kA），需更換為通流容量更大的MOV（如3kA）。

2. RS485接口：

   • 當(dāng)施加1kV脈沖時(shí)，通信誤碼率＜1%（正常）；
   • 當(dāng)施加2kV正極性脈沖時(shí)，誤碼率升至15%，示波器顯示RS485接口的電壓峰值達(dá)12V（超過(guò)TVS管的鉗位電壓8V），TVS管擊穿（阻值變?yōu)闊o(wú)窮大）；
   • 分析：RS485接口的TVS管選型不當(dāng)（鉗位電壓過(guò)高），應(yīng)更換為鉗位電壓≤6V的TVS管，并增加前端限流電阻（如10Ω），降低脈沖電流。

3. 以太網(wǎng)接口：

   • 當(dāng)施加3kV脈沖時(shí)，以太網(wǎng)鏈路斷開(kāi)（指示燈熄滅），重啟后恢復(fù)正常；
   • 分析：以太網(wǎng)接口的隔離變壓器（共模電感）對(duì)浪涌脈沖有一定抑制作用，但未達(dá)到3kV以上的耐受要求，需在接口處增加SPD（如10/350μs波形的SPD）。

4. DI端口：

   • 當(dāng)施加5kV脈沖時(shí)，DI模塊的光耦隔離電路有效，輸入電壓被鉗位至5V（光耦的最大耐受電壓），EUT無(wú)異常；
   • 分析：DI端口的防護(hù)設(shè)計(jì)（光耦+TVS）滿足5kV的耐受要求，無(wú)需改進(jìn)。

六、與建議

（一）

1. 被試設(shè)備的電源端口、DI端口的雷電浪涌耐受能力符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的基本要求（電源端口≥4kV，DI端口≥5kV）；
2. RS485接口的耐受能力不足（≤2.5kV），是設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)；
3. 以太網(wǎng)接口的耐受能力（3kV）雖滿足最低要求，但需進(jìn)一步提升以適應(yīng)更惡劣的雷電環(huán)境；
4. 防護(hù)元件（如MOV、TVS）的選型是影響耐受能力的關(guān)鍵因素，需根據(jù)脈沖參數(shù)（電壓、電流）優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（二）建議

1. 電源模塊：更換通流容量為3kA的MOV，增加熱敏電阻（PTC）用于過(guò)流保護(hù)，防止MOV損壞后短路；
2. RS485接口：更換鉗位電壓為6V的TVS管，串聯(lián)10Ω限流電阻，降低脈沖電流對(duì)TVS的沖擊；
3. 以太網(wǎng)接口：增加符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的SPD，安裝在接口前端，提高共模浪涌的抑制能力；
4. 設(shè)計(jì)優(yōu)化：在設(shè)備機(jī)箱上增加接地端子，降低機(jī)殼與信號(hào)地之間的電位差，減少感應(yīng)浪涌的影響；
5. 試驗(yàn)驗(yàn)證：對(duì)改進(jìn)后的設(shè)備重新進(jìn)行模擬雷擊試驗(yàn)，確保耐受能力達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)（如RS485接口≥3kV，以太網(wǎng)接口≥4kV）。

七、結(jié)語(yǔ)

模擬雷擊試驗(yàn)是電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)復(fù)現(xiàn)真實(shí)雷電的電磁效應(yīng)，能有效識(shí)別設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，為防護(hù)措施的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)某工業(yè)控制終端的試驗(yàn)分析，揭示了防護(hù)元件選型、接口設(shè)計(jì)對(duì)浪涌耐受能力的影響，提出了針對(duì)性的改進(jìn)建議。未來(lái)，隨著雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)（如引入10/350μs波形模擬直接雷擊），模擬雷擊試驗(yàn)將更加貼近實(shí)際環(huán)境，為電子設(shè)備的安全運(yùn)行提供更有力的保障。

（注：本文中被試設(shè)備為通用型電子設(shè)備，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為模擬結(jié)果，不涉及具體企業(yè)或產(chǎn)品。）