信號口浪涌防護電路設(shè)計

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通訊設(shè)備的外連線和接口線都有可能遭遇雷擊（直接雷擊或感應(yīng)雷擊），譬如交流供電線、用戶線、ISDN接口線、中繼線、天饋線等，所以這些外連線和接口線均應(yīng)采取雷擊保護措施。

設(shè)計信號口防雷電路應(yīng)注意以下幾點：

1、防雷電路的輸出殘壓值必需比被防護電路自身能夠耐受的過電壓峰值低，并有

一定裕量。

2、防雷電路應(yīng)有足夠的沖擊通流能力和響應(yīng)速度。

3、信號防雷電路應(yīng)滿足相應(yīng)接口信號傳輸速率及帶寬的需求，且接口與被保護設(shè)

備兼容。

4、信號防雷電路要考慮阻抗匹配的問題。5、信號防雷電路的插損應(yīng)滿足通信系統(tǒng)的要求。

6、對于信號回路的峰值電壓防護電路不應(yīng)動作，尋常在信號回路中，防護電路的

動作電壓是信號回路的峰值電壓的1.3～1.6倍。

1.1網(wǎng)口防雷電路

網(wǎng)口的防雷可以采用兩種思路：一種思路是要給雷電電流以泄放通路，把高壓在變壓器之前泄放掉，盡可能減少對變壓器影響，同時注意減少共模過電壓轉(zhuǎn)為差模過電壓的可能性。另一種思路是利用變壓器的絕緣耐壓，通過良好的器件選型與PCB設(shè)計將高壓隔離在變壓器的初級，從而實現(xiàn)對接口的隔離保護。下面的室外走線網(wǎng)口防雷電路和室內(nèi)走線網(wǎng)口防雷電路就分別采用的是這兩種思路。

1.1.1室外走線網(wǎng)口防雷電路

當有可能室外走線時，端口的防護等級要求較高，防護電路可以按圖1設(shè)計。

R1TXG1PER2R3RXG2PER4組合式TVS，低節(jié)電容組合式TVS，低節(jié)電容a

變比1：1TX+SLVU2.8-42.2Ω/2W3R097CXAUNUSEDUNUSEDTX+TX-RX+RX-UNUSEDUNUSED10/100ENTERNETPHYTX-RX+12348765RJ4575757575RX-VCCGNDVCCb

圖1室外走線網(wǎng)口防護電路

圖1a給出的是室外走線網(wǎng)口防護電路的基本原理圖，從圖中可以看出該電路的結(jié)構(gòu)與室外走線E1口防雷電路類似。共模防護通過氣體放電管實現(xiàn)，差模防護通過氣體放電管和TVS管組成的二級防護電路實現(xiàn)。圖中G1和G2是三極氣體放電管，型號是3R097CXA，它可以同時起到兩信號線間的差模保護和兩線對地的共模保護效果。中間的退耦選用2.2Ω/2W電阻，使前后級防護電路能夠相互協(xié)同，電阻值在保證信號傳輸?shù)那疤嵯卤M可能往大選取，防雷性能會更好，但電阻值不能小于2.2Ω。后級防護用的TVS管，由于網(wǎng)口傳輸速率高，在網(wǎng)口防雷電路中應(yīng)用的組合式TVS管需要具有更低的結(jié)電容，這里推薦的器件型號為SLVU2.8-4。圖1b

就是采用上述器件網(wǎng)口部分的詳細原理圖。

三極氣體放電管的中間一極接保護地PGND，要保證設(shè)備的工作地GND和保護地PGND通過PCB走線在母板或通過電纜在結(jié)構(gòu)體上會集（不能通過0Ω電阻或電容），這樣才能減小GND和PGND的電位差，使防雷電路發(fā)揮保護作用。

電路設(shè)計需要注意RJ45接頭到三極氣體放電管的PCB走線加粗到40mil，走線布在TOP層或BOTTOM層。若單層不能布這么粗的線，可采取兩層或三層走線的方式來滿足走線的寬度。退耦電阻到變壓器的PCB走線建議采用15mil線寬。

該防雷電路的插入損耗小于0.3dB，對100M以太網(wǎng)口的傳輸信號質(zhì)量影響比較小。

1.1.2室內(nèi)走線網(wǎng)口防雷電路

當只在室內(nèi)走線時，防護要求較低，因此防雷電路可以簡化設(shè)計，如圖2所示，圖2a

是室內(nèi)走線網(wǎng)口防護電路的基本原理圖，圖2b是防護器件選用SLVU2.8-4時網(wǎng)口部分的詳細原理圖。

組合式TVS，低節(jié)電容a

變比1：1TX+SLVU2.8-4UNUSED876510/100ENTERNETPHYTX-RX+1234UNUSEDTX+TX-RX+RX-UNUSEDUNUSEDRJ45757575RX-VCCGND75VCCb

圖2室內(nèi)走線網(wǎng)口防護電路

RJ45接頭的以太網(wǎng)信號電纜是平衡雙絞線，感應(yīng)的雷電過電壓以共模為主，假使能夠?qū)^電壓進行有效的防護，差模的防護選用小量級的器件就可以了，尋?？梢赃x用SLVU2.8-4，它可以達到差模0.5kV（1.2/50us）的防護能力，但是當產(chǎn)品目標包括北美市場時，差模防護器件推薦選用LC03-3.3，它可以滿足NEBS認證的需求。

我們從共模防護的角度對圖1和圖2這兩種電路做一下比較。圖1的電路采用氣體放電管實現(xiàn)共模的防護，當端口處有共模過電壓產(chǎn)生時，通過擊穿氣體放電管轉(zhuǎn)化成過電流并泄放，從而達到保護的目的。而圖2中的網(wǎng)口防護電路只設(shè)計了差模的防護電路，沒有設(shè)計共模的防護電路，它在端口的共模防護上采用就是我們前面說的隔離保護的思路，它利用網(wǎng)口變壓器的隔離特性實現(xiàn)端口的共模防護。當端口處有過電壓產(chǎn)生時，這個過電壓會加到網(wǎng)口變壓器的初級，由于變壓器有一定的隔離特性，只要過電壓不超過變壓器初級與次級的耐壓能力而被擊穿，過電壓會完全被隔離在初級側(cè)，從而對次級側(cè)基本不造成影響，達到端口保護的目的。

從上述原理可以看出，圖2這種電路的共模防護主要靠變壓器前級的PCB走線以及變壓器的絕緣耐落實現(xiàn)，因此要嚴格注意器件的選型和PCB的設(shè)計。

首先，在以太網(wǎng)口電路設(shè)計時應(yīng)樹立高壓線路和低壓線路分開的意識。其中變壓器接外

線側(cè)的以太網(wǎng)差分信號線、Bob-Smitch電路是直接連接到RJ45接頭上的，簡單引入外界的過電壓（如雷電感應(yīng)等），是屬于高壓信號線。而指示燈控制線、電源、GND是由系統(tǒng)內(nèi)提供，屬于低壓線路。

根據(jù)網(wǎng)口連接器不同，網(wǎng)口電路分為帶燈和不帶燈兩種，其中尤以帶燈連接器的網(wǎng)口防雷問題更為突出，因此下面以網(wǎng)口帶燈電路為例具體說明如何區(qū)分高壓線路與低壓線路。

網(wǎng)口帶燈的典型電路如下圖所示：

圖3網(wǎng)口部分電路組成

當網(wǎng)線上遭遇感應(yīng)雷擊時，會在8根網(wǎng)線上同時產(chǎn)生過電壓。從安全的角度分析，應(yīng)把網(wǎng)口部分分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，如上圖所示，虛線框內(nèi)即為高壓區(qū)。因此網(wǎng)線感應(yīng)雷電時主要在高壓區(qū)有比較高的過電壓。但是，在高壓區(qū)僅有8根網(wǎng)線和相連的網(wǎng)絡(luò)為高壓線，而指示燈驅(qū)動線、3.3V供電電源、連接器外殼地PGND為低壓線，網(wǎng)口電路Bob-Smith電路中匹配電阻屬于高壓，指示燈限流電阻屬于低壓范圍，變壓器線纜側(cè)中間抽頭電容一端為高壓端，接PGND的一端為低壓端。

其次，網(wǎng)口防雷電路在器件選型和PCB設(shè)計過程中要注意以下幾點：1、

為了保證共模隔離耐壓的承受能力，變壓器需要滿足初級和次級之間的交流絕緣耐壓不小于AC1500V的指標。

2、

優(yōu)先選擇不帶燈的RJ45，要引燈的話，建議采用導(dǎo)光柱技術(shù)在芯片側(cè)將指示燈的光線引到面板上，避免指示燈控制信號穿越高壓信號線和Bob-Smitch電路所在的區(qū)域。

3、指示燈控制電路的限流電阻應(yīng)放在控制芯片側(cè)，位置靠近控制芯片，防止過電壓直接對控制芯片造成沖擊。

4、以太網(wǎng)信號線依照差分線走線規(guī)則，保證阻抗匹配，并且一對差分線的長度盡量一樣長。

5、假使變壓器前級（靠RJ45接頭側(cè)）有中間抽頭并且采用Bob-Smith電路，即75Ω電阻加一個1000pF的接PGND的電容。建議電容選取耐壓大于DC2000V，電阻功率建議選擇1/10W的單個電阻，不宜采用排阻。

6、一個以太網(wǎng)接口采用一個Bob-Smith電路，避免將多個以太網(wǎng)接口的Bob-Smith電路復(fù)接在一起。

7、對于PCB層數(shù)大于6層的單板，由于相鄰層的絕緣材料小于12mil，因此高壓線和低壓線不應(yīng)布在相鄰層，更不應(yīng)交織或近距離并行走線。

8、由于通過變壓器的隔離特性完成共模防護，所以高壓信號線（差分線和Bob-Smith電路走線）和其它信號線（指示燈控制線）、電源線、地線之間應(yīng)當保證足夠的絕緣，不存在意外的放電途徑。

最終，要達到高壓區(qū)與低壓區(qū)之間有效的隔離，就要重視二者之間的PCB走線設(shè)計。在高壓區(qū)，帶高壓的可能有：連接器管腳、布線、過孔、電阻焊盤、電容焊盤。帶低壓的可能有：布線、過孔、電阻焊盤、螺釘。對于一致的絕緣距離，耐壓能力依次為接地螺釘電容、電阻焊盤>走線過孔>表層走線>內(nèi)層走線。這是由于螺釘整個為金屬體，暴露面積比較大，簡單成為放電通路。電容和電阻焊接兩端表面為金屬，同時由于形狀為長方體，有棱角，很簡單形成尖端放電。過孔在網(wǎng)口部分有好多，表面是亮錫的，也簡單產(chǎn)生擊穿放電，但與電阻和電容焊接兩端相比較，金屬面積相對就小一些。PCB板的表層走線涂有絕緣綠油，內(nèi)層的走線有介質(zhì)包圍，相對上面幾種，耐壓能力就應(yīng)當高一點。

在設(shè)計中，根據(jù)具體產(chǎn)品要求的抗浪涌等級，利用表7-1中的數(shù)據(jù)，就可以推算出PCB設(shè)計需要控制的各種絕緣距離。表7-1給出了在浪涌防護等級是4kV的時候，PCB設(shè)計要達到的安全絕緣距離。高壓低壓連接器管腳線過孔焊盤（電容、電阻）線過孔螺釘20mil――――――――20mil20mil40mil20mil40mil120mil33mil53mil120mil表1PCB設(shè)計安全絕緣距離數(shù)據(jù)（依照4KV耐沖擊進行計算）

綜上所述，采用圖2的防護電路，通過良好的器件選型和PCB設(shè)計，可以實現(xiàn)共模2kV（1.2/50us，最高可達4kV），差模0.5kV（1.2/50us）的防護能力。它可以應(yīng)用于絕大多數(shù)室內(nèi)走線的狀況，特別是對于接入和終端設(shè)備，在實際使用中以太網(wǎng)線不采用屏蔽電纜，而且安裝使用長度大于50米，在網(wǎng)口的防護電路設(shè)計過程中宜對以上問題加以重視。

對于網(wǎng)口的防護，除了采用以上的圖1和圖2中的兩種電路外，還有利用RJ45接頭管腳前端放電設(shè)計、利用變壓器中心抽頭空氣放電設(shè)計和利用變壓器中心抽頭采用放電管放電設(shè)計等防護方式，特點均是利用絕緣放電實現(xiàn)防護、成本低、PCB占用空間小。

SFU&HGU網(wǎng)口共模保護

變壓器隔離高壓電容SMITH電路走線20mil寬MDU網(wǎng)口共模保護

線路側(cè)中心抽頭對保護地加壓敏電阻或放電管線路側(cè)網(wǎng)線加三端子放電管網(wǎng)口差模保護

MDU：線路側(cè)GDT+電路側(cè)TVSSFU&HGU：電路側(cè)TVS

中國電信要求：

MDU設(shè)備電源口應(yīng)具備4KV（差模和共模）防護能力；用戶端口應(yīng)提供1.5KV（差模和共模）防護能力。

SFU/HGU設(shè)備的電源端口應(yīng)具備4KV（差模和共模）防護能力；用戶接口應(yīng)具備0.5KV

（差模和共模）防護能力。

對差模浪涌，不外加保護就依靠于網(wǎng)絡(luò)接口器件本身的固有防護能力不同的PHY芯片

或SWITCH芯片本身固有的防護能力不同，不能一概而論，有些需要加，有些不需要，需要驗證的。

從測試實踐中得知：

RTL8204B,不加差模保護的TVS，可以通過1000V、42歐姆、1.2/50波形浪涌測試RTL8114，則必需加BV03CW,才可以通過1000V、42歐姆、1.2/50波形浪涌測試B50612不加TVS只能過500V，要過1000V需要加TVS：BV03CW

SD5115H,不加TVS只靠自己的內(nèi)在保護不能達到500V差模防護,必需加BV03C才能過500V，要過1000V，必需加BV03CL

BCM68380/BCM68380F/BCM68385，需要加BV03CW才能通過差模500V測試。

BV03C寄生電容較大，只能用于FE；BV03CW用于GE；現(xiàn)已統(tǒng)一采用BV03CWBV03CL是350W的，與150W的BV03C和BV03CW封裝一樣,但還沒有料號。

網(wǎng)口共模浪涌測試，一般是8線同時對地；但K.21里規(guī)定是單線分別對地測試，同時對地還是分別對地測試共模，對普通網(wǎng)口沒有差異，對POE有差異，POE防護設(shè)計時需要注意這一點。

燈線隔離問題

帶燈的RJ45，燈線走線遠離放電管或壓敏電阻，遠離網(wǎng)線；先保護后濾波

1.2用戶口防雷電路1.2.1模擬用戶口（Z口）防雷電路1.2.1.1有配線架一級保護

對于局端設(shè)備，一般前面有配線架的一級保護，使用時向線路輸出饋電和鈴流信號，選用保護器件的動作電壓要考慮饋電和鈴流有效值的疊加，同時要滿足電力線碰觸試驗的要求，接口防護電路可參照圖3進行設(shè)計。

圖3有一級保護的模擬用戶口防護電路

PTC采用55Ω的值，放在電路前面用于過流保護。RV是擊穿電壓為220V的壓敏電阻，進行共模保護，壓敏電阻要有一定的通流能力，一般選直徑為Φ7的器件，能抗爭電力線碰觸時的短時過電流（PTC動作之前）。VD用于對音頻接口的保護，采用TSS管Tisp61089DR，該芯片為擊穿電壓可控制TSS管，一般采用饋電電壓來作為TSS管的觸發(fā)參考電平。該防護電路可以滿足ITU-TK.20標準的測試指標要求。

1.2.1.2無配線架一級保護

對于遠端小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或終端設(shè)備，尋常狀況前面沒有配線架的一級保護，使用時接受局端發(fā)送過來的饋電和鈴流，此時防雷量級要大，同時也要滿足電力線碰觸的測試要求，防護電路可以依照圖4和圖5設(shè)計。

（1）使用時向線路輸出饋電和鈴流信號，接口防護電路可參照圖7-18進行設(shè)計。

圖4無一級保護的模擬用戶口防護電路（向線路輸出饋電和鈴流信號）

由于PTC耐沖擊過電壓和過電流能力不高，因此此時不能將PTC放在電路的最前面。電路的前級G1可以采用通流能力10kA（8/20us），擊穿電壓較高的三極氣體放電管，也可采用三只直流擊穿電壓為360V的壓敏電阻S14K230進行差模和共模保護。選用比較高擊穿電壓的保護器件，主要是確保在電力線碰觸（最大230Vac）時，過壓保護器件不應(yīng)動作，同時也應(yīng)考慮保護器件的離散性，而尋常氣體放電管具有較大的離散性，其波動最高可達到器件手冊給出的正常參數(shù)的30％。采用放電管的優(yōu)點是占用PCB板面積小，缺點是殘壓大，而采用壓敏

電阻正好相反。PTC采用55Ω的值。VD用于對音頻接口的保護，采用TSS管Tisp61089DR，該芯片為擊穿電