模擬雷擊試驗：電子設備雷電防護性能的驗證與分析

一、引言

雷電是自然界中最具破壞性的電磁現象之一，其釋放的巨大能量可通過直接擊中、感應耦合或傳導等方式侵入電子設備，引發浪涌電壓/電流沖擊，導致部件損壞、功能失效甚至系統崩潰。隨著現代電子設備向高精度、高集成度發展，其對雷電脈沖的耐受能力愈發成為可靠性設計的關鍵指標。模擬雷擊試驗作為評估設備雷電防護性能的核心手段，通過在實驗室環境中復現真實雷電的電磁效應，為設備設計優化、標準合規性驗證提供了科學依據。本文以某通用電子設備為例，系統闡述模擬雷擊試驗的背景、流程、數據分析及，旨在為同類試驗的開展提供參考。

二、試驗背景與目的

（一）背景

據國際電工委員會（IEC）統計，每年因雷電導致的電子設備損壞事故占比約15%，直接經濟損失超百億美元。在工業控制、通信、電力等領域，設備一旦因雷電失效，可能引發連鎖反應（如生產線停機、通信中斷），造成更大范圍的損失。因此，各國均通過標準（如IEC 61000-4-5《電磁兼容性第4-5部分：試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗》、GB/T 17626.5《電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗》）強制要求電子設備具備一定的雷電浪涌耐受能力。

（二）目的

本試驗的核心目標是：

驗證被試設備（EUT，Equipment Under Test）對雷電浪涌脈沖的抗擾度，確定其在規定電壓等級下的功能穩定性；
識別設備的薄弱環節（如電源接口、通信端口），為防護電路設計提供改進方向；
評估設備防護措施（如壓敏電阻、浪涌保護器（SPD））的有效性；
為設備的認證（如CE、CCC）提供試驗數據支持。

三、試驗準備

（一）試驗標準與依據

本試驗嚴格遵循IEC 61000-4-5:2014標準，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浪涌的典型波形（1.2μs為脈沖上升時間，50μs為脈沖半峰值時間；8μs為電流上升時間，20μs為電流半峰值時間）。

（二）試驗設備

浪涌脈沖發生器：輸出電壓范圍0~6kV（峰值），電流范圍0~3kA（峰值），滿足IEC 61000-4-5對波形參數的要求；
耦合/去耦網絡（CDN，Coupling/Decoupling Network）：用于將浪涌脈沖耦合到EUT的電源或信號線上，同時防止脈沖反饋至電網影響其他設備；
示波器：帶寬≥500MHz，采樣率≥2GS/s，用于捕捉浪涌脈沖波形及EUT的響應信號；
被試設備（EUT）：某型工業控制終端，包含電源模塊、CPU板、通信接口（RS485、以太網）及輸入輸出（I/O）模塊；
輔助設備：直流電源（為EUT供電）、信號發生器（模擬EUT的輸入信號）、萬用表（測量電壓/電流參數）。

（三）試驗環境

試驗在電磁兼容（EMC）實驗室進行，環境條件：溫度23±2℃，相對濕度45%~65%，大氣壓力86~106kPa。實驗室接地系統電阻≤0.5Ω，避免接地不良對試驗結果的影響。

（四）預處理

試驗前對EUT進行初始性能測試，記錄關鍵參數：

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

四、試驗過程

（一）試驗配置

根據IEC 61000-4-5標準，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：

電源端口試驗：將CDN串聯在EUT的電源輸入線與直流電源之間，浪涌發生器通過CDN向電源正極（L+）與接地端（GND）施加浪涌脈沖；
通信端口試驗：將CDN串聯在EUT的RS485接口（A、B線）與信號發生器之間，浪涌發生器通過CDN向A線與GND、B線與GND施加浪涌脈沖；
I/O端口試驗：將CDN串聯在EUT的數字輸入線（DI）與信號發生器之間，浪涌發生器向DI線與GND施加浪涌脈沖。

（二）脈沖施加規則

極性：分別施加正極性（+）和負極性（-）浪涌脈沖，每種極性測試5次；
電壓等級：從1kV開始，逐步提升至6kV（每級間隔1kV），每級電壓測試完成后檢查EUT狀態；
脈沖間隔：每次脈沖間隔≥1分鐘，避免EUT因連續沖擊產生累積損傷。

（三）監測與記錄

試驗過程中，通過以下方式監測EUT的響應：

波形監測：用示波器同時捕捉浪涌發生器的輸出波形（電壓/電流）和EUT輸入端口的實際承受波形，驗證脈沖參數是否符合標準要求；
狀態監測：實時觀察EUT的指示燈、顯示屏狀態，記錄是否出現死機、重啟、顯示異常等現象；
性能監測：在每級電壓測試后，重新進行初始性能測試，比較參數變化（如電源電壓波動、通信誤碼率、I/O響應時間）；
損壞檢查：若EUT出現功能失效，立即停止試驗，拆機檢查損壞部件（如電源模塊的壓敏電阻、通信接口的瞬態抑制二極管（TVS））。

五、試驗結果與分析

（一）總體結果概述

表1 不同端口的浪涌耐受電壓（單位：kV）

端口類型	正極性耐受電壓	負極性耐受電壓	失效模式
電源端口	4kV	4kV	電源模塊過壓保護啟動，重啟后恢復
RS485接口	2kV	2.5kV	通信誤碼率＞10%，TVS管擊穿
以太網接口	3kV	3kV	鏈路斷開，重啟后恢復
DI端口	5kV	5kV	無明顯異常

（二）詳細分析

電源端口：
- 當施加1~3kV浪涌脈沖時，EUT無異常，電源電壓波動≤±3%（符合設計要求）；
- 當施加4kV脈沖時，電源模塊的壓敏電阻（MOV）動作，將電壓鉗位至30V（低于EUT的最大耐受電壓36V），EUT短暫重啟后恢復正常；
- 當施加5kV脈沖時，MOV因過流損壞（阻值變為0Ω），導致電源短路，EUT無法開機。
- 分析：電源模塊的防護措施（MOV+保險絲）在4kV以下有效，但MOV的通流容量不足（設計值為2kA，實際脈沖電流達2.5kA），需更換為通流容量更大的MOV（如3kA）。
RS485接口：
- 當施加1kV脈沖時，通信誤碼率＜1%（正常）；
- 當施加2kV正極性脈沖時，誤碼率升至15%，示波器顯示RS485接口的電壓峰值達12V（超過TVS管的鉗位電壓8V），TVS管擊穿（阻值變為無窮大）；
- 分析：RS485接口的TVS管選型不當（鉗位電壓過高），應更換為鉗位電壓≤6V的TVS管，并增加前端限流電阻（如10Ω），降低脈沖電流。
以太網接口：
- 當施加3kV脈沖時，以太網鏈路斷開（指示燈熄滅），重啟后恢復正常；
- 分析：以太網接口的隔離變壓器（共模電感）對浪涌脈沖有一定抑制作用，但未達到3kV以上的耐受要求，需在接口處增加SPD（如10/350μs波形的SPD）。
DI端口：
- 當施加5kV脈沖時，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無異常；
- 分析：DI端口的防護設計（光耦+TVS）滿足5kV的耐受要求，無需改進。

六、與建議

（一）

被試設備的電源端口、DI端口的雷電浪涌耐受能力符合IEC 61000-4-5標準的基本要求（電源端口≥4kV，DI端口≥5kV）；
RS485接口的耐受能力不足（≤2.5kV），是設備的薄弱環節；
以太網接口的耐受能力（3kV）雖滿足最低要求，但需進一步提升以適應更惡劣的雷電環境；
防護元件（如MOV、TVS）的選型是影響耐受能力的關鍵因素，需根據脈沖參數（電壓、電流）優化設計。

（二）建議

電源模塊：更換通流容量為3kA的MOV，增加熱敏電阻（PTC）用于過流保護，防止MOV損壞后短路；
RS485接口：更換鉗位電壓為6V的TVS管，串聯10Ω限流電阻，降低脈沖電流對TVS的沖擊；
以太網接口：增加符合IEC 61000-4-5標準的SPD，安裝在接口前端，提高共模浪涌的抑制能力；
設計優化：在設備機箱上增加接地端子，降低機殼與信號地之間的電位差，減少感應浪涌的影響；
試驗驗證：對改進后的設備重新進行模擬雷擊試驗，確保耐受能力達到設計目標（如RS485接口≥3kV，以太網接口≥4kV）。

七、結語

模擬雷擊試驗是電子設備可靠性設計的重要環節，通過復現真實雷電的電磁效應，能有效識別設備的薄弱環節，為防護措施的優化提供科學依據。本文通過對某工業控制終端的試驗分析，揭示了防護元件選型、接口設計對浪涌耐受能力的影響，提出了針對性的改進建議。未來，隨著雷電防護標準的不斷升級（如引入10/350μs波形模擬直接雷擊），模擬雷擊試驗將更加貼近實際環境，為電子設備的安全運行提供更有力的保障。

（注：本文中被試設備為通用型電子設備，試驗數據均為模擬結果，不涉及具體企業或產品。）