1、笫 頁(yè)共7頁(yè)以太網(wǎng)口防雷設(shè)計(jì)總結(jié)關(guān)鍵字：以太網(wǎng)口；浪涌；TVS管；共模；差模；問(wèn)題背景介紹：對(duì)于主要的100M網(wǎng)口接口需要做特殊的保護(hù)處理，具體要求需要達(dá)到6KV設(shè)計(jì)目標(biāo)（10/700雷電模擬電壓波），作者在調(diào)試過(guò)程中對(duì)傳統(tǒng)bob-smith端接和防雷設(shè)計(jì)做了相關(guān)的工作，在此總結(jié)出來(lái)供以后網(wǎng)口防雷設(shè)計(jì)參考。具體原理及步驟：一、網(wǎng)口的接口模型：網(wǎng)線:網(wǎng)口室內(nèi)連接，一般為CAT-5或者CAT-5E（超5類雙絞線，四對(duì)UTP無(wú)屏蔽雙絞線）的網(wǎng)線，支持頻率為100MHz,最高傳輸速率1OOONIbpSo用于1000Base-T,100Base-T,10Base-T-般家用網(wǎng)線。變壓器：變壓器用在RJ4

2、5端口主要作用：滿足IEEE802.3中電氣隔離的要求，不失真的傳輸以太網(wǎng)信號(hào)，EMI抑制。具體變壓器模型分析在以太網(wǎng)口輻射設(shè)計(jì)中詳述。RJ45接口：RJ45接口在防浪涌選用中需要注意，如果選用帶屏蔽的網(wǎng)口座子，需要注意屏蔽罩和插件/貼片腳之間要有足夠的電氣間隙，不能發(fā)生浪涌時(shí)候管腳直接對(duì)屏蔽罩放電的現(xiàn)象；如果選用非屏蔽的網(wǎng)口座子，需要注意增加座子固定的方式。不推薦選用帶LED燈的座子,這樣會(huì)增加布線的難度和PCB空間。二、網(wǎng)口防雷概述：網(wǎng)線雷擊主要分為：室外感應(yīng)雷擊或者直接雷擊；建筑物內(nèi)感應(yīng)雷擊；防雷器對(duì)端口的保護(hù)，分為共模保護(hù)和差模保護(hù)兩個(gè)方面。RJ45接頭的以太網(wǎng)信號(hào)電纜是平衡雙絞線，感

3、應(yīng)的雷電過(guò)電壓以共模為主，線纜間的差模過(guò)電壓/過(guò)電流相對(duì)小一些。但是非理想網(wǎng)絡(luò)變壓器情況下，共模的過(guò)電壓/過(guò)電流也可以轉(zhuǎn)化成差模。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(duì)變壓器影響，同時(shí)注意減少共模過(guò)電壓轉(zhuǎn)為差模過(guò)電壓的可能性；另一種思路是利用變壓器的絕緣耐壓，通過(guò)良好的器件選型與PCB設(shè)計(jì)將高壓隔離在變壓器的初級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接口的隔離保護(hù)。我們?cè)O(shè)計(jì)的防護(hù)電路要獲得滿意的防雷效果，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：防雷電路的輸出殘壓值必須比被防護(hù)電路自身能夠耐受的過(guò)電壓峰值低，并有一定裕量；防雷電路應(yīng)有足夠的沖擊通流能力和響應(yīng)速度；信號(hào)防雷電路應(yīng)滿

4、足相應(yīng)接口信號(hào)傳輸速率及帶寬的需求，且接口與被保護(hù)設(shè)備兼容；信號(hào)防雷電路要考慮阻抗匹配的問(wèn)題；信號(hào)防雷電路的插損應(yīng)滿足通信系統(tǒng)的要求；對(duì)于信號(hào)回路的峰值電壓防護(hù)電路不應(yīng)動(dòng)作，通常在信號(hào)回路中，防護(hù)電路的動(dòng)作電壓是信號(hào)回路的峰值電壓的1.31.6倍。三、常用的防浪涌器件，1，氣體放電管笫 #頁(yè)共7頁(yè)笫 #頁(yè)共7頁(yè)圖1氣體放電管的原理圖符號(hào)氣體放電管是一種氣體開(kāi)關(guān)型保護(hù)器件，當(dāng)兩極間電壓足夠大時(shí)，將極間間隙的氣體擊穿放電。導(dǎo)電狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低，一般在2050V,因此可以起到保護(hù)后級(jí)電路的效果。氣體放電管的主要指標(biāo)有：響應(yīng)時(shí)間、直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量、絕緣電阻、極間電容、續(xù)流

5、遮斷時(shí)間。氣體放電管的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到數(shù)白ns以至數(shù)s,在保護(hù)器件中是最慢的。另一方面,氣體放電管的通流量比壓敏電阻和TVS管要大，氣體放電管與TVS等保護(hù)器件合用時(shí)應(yīng)使大部分的過(guò)電流通過(guò)氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護(hù)電路的最前級(jí)，其后級(jí)的防護(hù)電路由壓敏電阻或TVS管組成，這兩種器件的響應(yīng)時(shí)間很快，對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)效果更好。氣體放電管的絕緣電阻非常高，可以達(dá)到千兆歐姆的量級(jí)。極間電容的值非常小,一般在5pF以下，極間漏電流非常小，為nA級(jí)。氣體放電管的續(xù)流遮斷是設(shè)計(jì)電路需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題。如前所述，氣體放電管在導(dǎo)電狀態(tài)下續(xù)流維持電壓一般在2050訂在直流電源電路中應(yīng)用時(shí)，如果兩

6、線間電壓超過(guò)15V,不可以在兩線間直接應(yīng)用放電管。例如我司的衛(wèi)星產(chǎn)品系列不適用氣體放電管做防浪涌器件，但是cable產(chǎn)品天線口防雷可以采用極低極間電容的氣體放電管作為保護(hù)。2,壓敏電阻笫 #頁(yè)共7頁(yè)圖2壓敏電阻的原理圖符號(hào)壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在兒百到兒千p

7、F的數(shù)量級(jí)范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管(TVS)笫 #頁(yè)共7頁(yè)笫 #頁(yè)共7頁(yè)圖3TVS管原理圖符號(hào)笫 頁(yè)共7頁(yè)TVS(TransientoltageSuppression)是一種限壓保護(hù)器件，作用與圧墩電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。TVS的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，是限壓型浪涌保護(hù)器件中

8、最快的。用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)時(shí)其響應(yīng)速度都可滿足要求。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結(jié)電容型TVS-般在兒百兒千pF的數(shù)量級(jí)，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在兒pF兒十pF的數(shù)量級(jí)。在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。另外TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的。四、網(wǎng)口防雷電路設(shè)計(jì)：1,室外走線網(wǎng)口防雷電路當(dāng)有可能室外走線時(shí)，端口的防護(hù)等級(jí)要求較高，防護(hù)電路可以按圖4設(shè)計(jì)。RXS笫 #頁(yè)共7頁(yè)笫 頁(yè)共7頁(yè)圖4室外走線網(wǎng)口防護(hù)電路圖4給出的是室外走線網(wǎng)口防護(hù)電路的基本原理圖。共模防護(hù)通過(guò)氣體放電管實(shí)現(xiàn)，差模防護(hù)通過(guò)氣體放電管和TVS管組成的

9、二級(jí)防護(hù)電路實(shí)現(xiàn)。圖中G1和G2是三極氣體放電管，它可以同時(shí)起到兩信號(hào)線間的差模保護(hù)和兩線對(duì)地的共模保護(hù)效果。中間的退耦選用2.2Q/2W電阻，使前后級(jí)防護(hù)電路能夠相互配合，讓能量?jī)?yōu)先從氣體放電管泄放。后級(jí)防護(hù)用的TVS管，因?yàn)榫W(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。2,室內(nèi)走線網(wǎng)口防雷電路當(dāng)只在室內(nèi)走線時(shí)，防護(hù)要求較低，因此防雷電路可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，如圖5所示，圖5是室內(nèi)走線網(wǎng)口防護(hù)電路的基本原理圖。圖5室內(nèi)走線網(wǎng)口防護(hù)電路我們從共模防護(hù)的角度對(duì)圖4和圖5這兩種電路做一下比較，對(duì)比兩種防護(hù)設(shè)計(jì)思路。圖4的電路采用氣體放電管實(shí)現(xiàn)共模的防護(hù)，當(dāng)端口處有共模過(guò)電壓產(chǎn)生

10、時(shí)，通過(guò)擊穿氣體放電管轉(zhuǎn)化成過(guò)電流并泄放，從而達(dá)到保護(hù)的目的。而圖5中的網(wǎng)口防護(hù)電路只設(shè)計(jì)了差模的防護(hù)電路，沒(méi)有設(shè)計(jì)共模的防護(hù)電路，它在端口的共模防護(hù)上釆用就是我們前面說(shuō)的隔離保護(hù)的思路，它利用網(wǎng)口變壓器的隔離特性實(shí)現(xiàn)端口的共模防護(hù)。當(dāng)端口處有過(guò)電壓產(chǎn)生時(shí),這個(gè)過(guò)電壓會(huì)加到網(wǎng)口變壓器的初級(jí)，由于變壓器有一定的隔離特性，只要過(guò)電壓不超過(guò)變壓器初級(jí)與次級(jí)的耐壓能力而被擊穿，過(guò)電圧會(huì)完全被隔離在初級(jí)側(cè)，從而對(duì)次級(jí)側(cè)基本不造成影響，達(dá)到端口保護(hù)的目的。從上述原理可以看出，圖5這種電路的共模防護(hù)主要靠變壓器前級(jí)的PCB走線以及變壓器的絕緣耐壓實(shí)現(xiàn)，因此要嚴(yán)格注意器件的選型和PCB的設(shè)計(jì)，下面介紹PCB設(shè)

11、計(jì)注意事項(xiàng)。首先，在以太網(wǎng)口電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)樹(shù)立高壓線路和低壓線路分開(kāi)的意識(shí)。其中變壓器接外線側(cè)的以太網(wǎng)差分信號(hào)線、Bob-Smith電路是直接連接到RJ45接頭上的，容易引入外界的過(guò)電壓（如雷電感應(yīng)等），是屬于高壓信號(hào)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。其次，網(wǎng)口防雷電路在器件選型和PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意以下兒點(diǎn)：為了保證共模隔離耐壓的承受能力，變壓器需要滿足初級(jí)和次級(jí)之間的交流絕緣耐壓不小于AC1500V的指標(biāo)。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血板上，避免指示燈控制信號(hào)穿越高壓信號(hào)線和Bob-Smith電路所在的區(qū)域。

12、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(guò)電壓直接對(duì)控制芯片造成沖擊。以太網(wǎng)信號(hào)線按照差分線走線規(guī)則，保證阻抗匹配，并且一對(duì)差分線的長(zhǎng)度盡量一樣長(zhǎng)。如果變壓器前級(jí)（靠RJ45接頭側(cè)）有中間抽頭并且采用Bob-Smith電路,即75Q電阻加一個(gè)lOOOpF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(gè)電阻，不宜采用排阻。由于通過(guò)變壓器的隔離特性完成共模防護(hù)，所以高壓信號(hào)線（差分線和Bob-Smith電路走線）和其它信號(hào)線（指示燈控制線）、電源線、地線之間應(yīng)該保證足夠的絕緣，不存在意外的放電途徑。最后，要達(dá)到高壓區(qū)與低壓區(qū)之間有效的

13、隔離，就要重視二者之間的PCB走線設(shè)計(jì)。在高壓區(qū)，帶高壓的可能有：連接器管腳、布線、過(guò)孔、電阻焊盤(pán)、電容焊盤(pán)。帶低壓的可能有：布線、過(guò)孔、電阻焊盤(pán)、螺釘。根據(jù)測(cè)試結(jié)果和分析，我們總結(jié)得到在網(wǎng)口PCB部分高低壓各種形式兩兩之間的絕緣耐壓數(shù)據(jù)，具體如卜表（表中給出的是高壓與低壓部分距離為lOmil時(shí)候的耐壓情況）：低壓、RJ45連接器管腳PCB走線過(guò)孔焊盤(pán)電阻電容PCB走線推斷2200V推斷2200V2200V（內(nèi)層）1200V（表層）推斷1200V過(guò)孔推斷2200V1000V1500V（建議按照750V設(shè)訃）750V電阻焊盤(pán)螺釘1000V推斷320V到750V之間推斷320V320V變壓器管腳1

14、250V表1絕緣耐壓測(cè)試結(jié)果注：上表中紅色數(shù)據(jù)為直接試驗(yàn)得到，黑色數(shù)為據(jù)根據(jù)試驗(yàn)和具體情況分析得到。藍(lán)色數(shù)據(jù)為原理分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過(guò)程中建議按照該數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。從表中可以看出，對(duì)于相同的絕緣距離，耐壓能力為接地螺釘v電容、電阻焊盤(pán)v走線過(guò)孔v表層走線v內(nèi)層走線，因此當(dāng)共模防護(hù)指標(biāo)一定時(shí)，高壓部分與低壓部分的絕緣距離應(yīng)該為接地螺釘電容、電阻焊盤(pán)走線過(guò)孔表層走線內(nèi)層走線。這是因?yàn)槁葆斦麄€(gè)為金屬體，暴霜面枳比較大，容易成為放電通路。電容和電阻焊接兩端表面為金屬，同時(shí)由于形狀為長(zhǎng)方體，有棱角，很容易形成尖端放電。過(guò)孔在網(wǎng)口部分有很多，表面是亮錫的，也容易產(chǎn)生擊穿放電。PCB板的表層走線涂有絕緣綠油，內(nèi)層

15、的走線有介質(zhì)包圍，相對(duì)上面兒種，耐壓能力就應(yīng)該高一點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體產(chǎn)品要求的抗浪涌等級(jí)，利用表1中的數(shù)據(jù)，就可以推算出PCB設(shè)計(jì)需要控制的各種絕緣距離。表2給出了在防護(hù)等級(jí)是41E的時(shí)候，PCB設(shè)計(jì)要達(dá)到的安全絕緣距離。低壓連接器管腳線過(guò)孔焊盤(pán)（電容.電阻）線201111120mil20mil3311111過(guò)孔20mil40mil5311111螺釘40mil120mil120niil表2PCB設(shè)計(jì)安全絕緣距離數(shù)據(jù)（按照4KV耐壓進(jìn)行計(jì)算）綜上所述，釆用圖5的防護(hù)電路，通過(guò)良好的器件選型和PCB設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)共模2kV（1.2/50US,最高可達(dá)4kV）,差模0.5kV（1.2/50US）

16、的防護(hù)能力。它可以應(yīng)用于絕大多數(shù)室內(nèi)走線的情況。第二種思路對(duì)于變壓器絕緣耐壓要求較高，需要封裝較大的變壓器才能滿足抗雷擊要求，這樣就會(huì)要較大的PCB空間，綜合考慮，選用第一種思路，增加防浪涌器件，采用變壓器中心抽頭放電管設(shè)計(jì)電路：ForSurge（L-L）TX*TX-RXRX-MXAXOK-oT1MST-O041SMI笫 #頁(yè)共7頁(yè)圖6以太網(wǎng)口防宙設(shè)計(jì)電路笫 頁(yè)共7頁(yè)圖6電路將共模端接電阻75歐姆合并為一個(gè)（該電阻具體作用在網(wǎng)口輻射設(shè)計(jì)指導(dǎo)里面詳述），這樣做對(duì)防雷設(shè)計(jì)做到成本最優(yōu)化，只用一顆雙向放電管即可，這樣處理對(duì)網(wǎng)口的EMI有影響，可以降低該電阻值獲取好的EMI性能，具體分析見(jiàn)以太網(wǎng)口輻射

17、設(shè)計(jì)指導(dǎo)。將此端接電阻改為33歐姆，100M以下頻點(diǎn)最差余量可以達(dá)到4dB?？偨Y(jié)：本文介紹了網(wǎng)口常用接口模型，以及雷電防護(hù)基本知識(shí)，常用防浪涌器件的介紹和對(duì)比,供以后不同設(shè)計(jì)方案的選型。對(duì)比了網(wǎng)口防雷設(shè)計(jì)的兩種思路，華為項(xiàng)目釆用的是第二種方案，使用變壓器的高隔離特性，此項(xiàng)目由于結(jié)構(gòu)限制釆用第一種方案，使用變壓器中間抽頭接防浪涌器件泄放共模浪涌，同時(shí)在TX.RX差分線間增加低極間電容的TVS管，增加對(duì)差模浪涌的防護(hù)能力，一是來(lái)自非理想變壓器導(dǎo)致的共模差模轉(zhuǎn)換，二是非理想對(duì)稱UTP網(wǎng)線導(dǎo)致的差模浪涌。具體的設(shè)計(jì)防護(hù)指標(biāo)可以根據(jù)防護(hù)或者隔離器件的等級(jí)來(lái)選用合適的方案。附錄A：雷電流波形雷電流是一個(gè)非

18、周期的瞬態(tài)電流，通常是很快上升到峰值，然后較為緩慢的下降。雷電流的波頭時(shí)間是指雷電流從零上升到峰值的時(shí)間，又稱為波前時(shí)間；波長(zhǎng)時(shí)間是指從零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的時(shí)間，又稱為半峰值時(shí)間。由于在雷電流波的起始和峰值處常常疊加有振蕩，很難確定其真實(shí)零點(diǎn)和到達(dá)峰值的時(shí)間，因此，我們常用視在波頭時(shí)間乃和視在波長(zhǎng)時(shí)間C來(lái)表示，一般記為T(mén)1/T2,如下圖所示。圖7雷電流波形示意圖在IEC標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)標(biāo)中規(guī)定的雷擊測(cè)試波形主要有：8/20us、10/350US（電流波）、10/700us以及1.2/50us（電壓波）等。附錄B：沖擊電流實(shí)驗(yàn)方法通信設(shè)備的沖擊電流實(shí)驗(yàn)主要為實(shí)驗(yàn)雷擊時(shí)通信設(shè)備的一些電纜（電源線、信號(hào)線、天饋線）上由各種原因而產(chǎn)生的過(guò)電流對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的危害。沖擊電流實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)裝置稱為沖擊電流發(fā)生器。沖擊電流發(fā)生器的輸出是瞬間的脈沖電流，具有持續(xù)時(shí)間短、峰值電流大、瞬間功率高的特點(diǎn)。原理上，可以將沖擊電流發(fā)生器看作是一個(gè)電流源。沖擊電流實(shí)驗(yàn)的模擬脈沖波形需要盡量接近自然環(huán)境中雷擊時(shí)通信設(shè)備電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過(guò)電流的波形。因此沖擊電流測(cè)試一般采用國(guó)際上防雷學(xué)科給出的一些標(biāo)準(zhǔn)波形。根據(jù)國(guó)家、地區(qū)、研究機(jī)構(gòu)的不同，目前各國(guó)在沖擊電流測(cè)試中對(duì)脈沖波形的要求有