信號口浪涌防護電路設計

1、信號口浪涌防護電路設計通訊設備的外連線和接口線都有可能遭受雷擊（直接雷擊或感應雷擊），比如交流供電線、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采取雷擊保護措施。設計信號口防雷電路應注意以下幾點：1、 防雷電路的輸出殘壓值必須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、 防雷電路應有足夠的沖擊通流能力和響應速度。3、 信號防雷電路應滿足相應接口信號傳輸速率及帶寬的需求，且接口與被保護設備兼容。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動作，通常在信號回路中，防護電路的動作

2、電壓是信號回路的峰值電壓的1.31.6倍。1.1 網口防雷電路網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設計將高壓隔離在變壓器的初級，從而實現對接口的隔離保護。下面的室外走線網口防雷電路和室內走線網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設計。ab圖1 室外走線網口防護電路圖1a給出的是室外走線網口防護電路的基本原理圖，從圖中可以看

3、出該電路的結構與室外走線E1口防雷電路類似。共模防護通過氣體放電管實現，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。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2.2/2W電阻，使前后級防護電路能夠相互配合，電阻值在保證信號傳輸的前提下盡可能往大選取，防雷性能會更好，但電阻值不能小于2.2。后級防護用的TVS管，因為網口傳輸速率高，在網口防雷電路中應用的組合式TVS管需要具有更低的結電容，這里推薦的器件型號為SLVU2.8-4。圖1b就是采用上述器件網口部分的詳細原理圖。三極氣體放電管的中間一極接

4、保護地PGND，要保證設備的工作地GND和保護地PGND通過PCB走線在母板或通過電纜在結構體上匯合（不能通過0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以太網口的傳輸信號質量影響比較小。1.1.2 室內走線網口防雷電路當只在室內走線時，防護要求較低，因此防雷電路可以簡化設計，如圖2所示，圖

5、2a是室內走線網口防護電路的基本原理圖，圖2b是防護器件選用SLVU2.8-4時網口部分的詳細原理圖。ab圖2 室內走線網口防護電路RJ45接頭的以太網信號電纜是平衡雙絞線，感應的雷電過電壓以共模為主，如果能夠對過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，通常可以選用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共模的防護，當端口處有共模過電壓產生時，通過擊穿氣體放電管轉化

6、成過電流并泄放，從而達到保護的目的。而圖2中的網口防護電路只設計了差模的防護電路，沒有設計共模的防護電路，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，它利用網口變壓器的隔離特性實現端口的共模防護。當端口處有過電壓產生時，這個過電壓會加到網口變壓器的初級，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，從而對次級側基本不造成影響，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壓實現，因此要嚴格注意器件的選型和PCB的設計。首先，在以太網口電路設計時應樹立高壓線路和

7、低壓線路分開的意識。其中變壓器接外線側的以太網差分信號線、Bob-Smitch電路是直接連接到RJ45接頭上的，容易引入外界的過電壓（如雷電感應等），是屬于高壓信號線。而指示燈控制線、電源、GND是由系統(tǒng)內提供，屬于低壓線路。根據網口連接器不同，網口電路分為帶燈和不帶燈兩種，其中尤以帶燈連接器的網口防雷問題更為突出，因此下面以網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。網口帶燈的典型電路如下圖所示：圖3 網口部分電路組成當網線上遭受感應雷擊時，會在8根網線上同時產生過電壓。從安全的角度分析，應把網口部分分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，如上圖所示，虛線框內即為高壓區(qū)。因此網線感應雷電時主要在高壓區(qū)有

8、比較高的過電壓。但是，在高壓區(qū)僅有8根網線和相連的網絡為高壓線，而指示燈驅動線、3.3V供電電源、連接器外殼地PGND為低壓線，網口電路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，變壓器線纜側中間抽頭電容一端為高壓端，接PGND的一端為低壓端。其次，網口防雷電路在器件選型和PCB設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，建議采用導光柱技術在芯片側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

9、區(qū)域。3、 指示燈控制電路的限流電阻應放在控制芯片側，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、 以太網信號線按照差分線走線規(guī)則，保證阻抗匹配，并且一對差分線的長度盡量一樣長。5、 如果變壓器前級（靠RJ45接頭側）有中間抽頭并且采用Bob-Smith電路，即75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、 一個以太網接口采用一個Bob-Smith電路，避免將多個以太網接口的Bob-Smith電路復接在一起。7、 對于PCB層數大于6層的單板，由于相鄰層的絕緣材料小于12mil，因此高壓線和

10、低壓線不應布在相鄰層，更不應交叉或近距離并行走線。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、地線之間應該保證足夠的絕緣，不存在意外的放電途徑。最后，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。對于相同的絕緣距離，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 < 內層走線，因此當共模防護指標一定時，高壓部分與低壓部分的

11、絕緣距離應該為接地螺釘 > 電容、電阻焊盤 > 走線過孔 > 表層走線 > 內層走線。這是因為螺釘整個為金屬體，暴露面積比較大，容易成為放電通路。電容和電阻焊接兩端表面為金屬，同時由于形狀為長方體，有棱角，很容易形成尖端放電。過孔在網口部分有很多，表面是亮錫的，也容易產生擊穿放電，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，內層的走線有介質包圍，相對上面幾種，耐壓能力就應該高一點。在設計中，根據具體產品要求的抗浪涌等級，利用表7-1中的數據，就可以推算出PCB設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，

12、PCB設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20mil20mil20mil33mil過孔20mil40mil53mil螺釘40mil120mil120mil表1 PCB設計安全絕緣距離數據（按照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設計，可以實現共模2kV（1.2/50us，最高可達4kV），差模0.5kV（1.2/50us）的防護能力。它可以應用于絕大多數室內走線的情況，特別是對于接入和終端設備，在實際使用中以太網線不采用屏蔽電纜，而且安裝使用長度大于50米，在網口的防護電路設計過程中宜對以上問題加以重視。對于網口的防

13、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計、利用變壓器中心抽頭空氣放電設計和利用變壓器中心抽頭采用放電管放電設計等防護方式，特點均是利用絕緣放電實現防護、成本低、PCB占用空間小。SFU&HGU網口共模保護 變壓器隔離 高壓電容 SMITH電路走線20mil寬MDU網口共模保護 線路側中心抽頭對保護地加壓敏電阻或放電管 線路側網線加三端子放電管網口差模保護 MDU：線路側GDT+電路側TVS SFU&HGU：電路側TVS中國電信要求：MDU設備電源口應具備4KV（差模和共模）防護能力；用戶端口應提供1.5KV（差模和共模）防護能力。SFU/

14、HGU設備的電源端口應具備4KV（差模和共模）防護能力；用戶接口應具備0.5KV（差模和共模）防護能力。對差模浪涌，不外加保護就依賴于網絡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，則必須加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  ，

15、0;   要過1000V需要加TVS：BV03CWSD5115H, 不加TVS只靠自己的內在保護不能達到500V差模防護,必須加BV03C才能過500V，要過1000V，必須加BV03CLBCM68380/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，對普通網口沒有差

16、異，對POE有差異，POE防護設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進行設計。圖3 有一級保護的模擬用戶口防護電路PTC采用55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7的器件，能抵

17、抗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-T K.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絡設備或終端設備，通常情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，防護電路可以按照圖4和圖5設計。（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

18、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，過壓保護器件不應動作，同時也應考慮保護器件的離散性，而通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55的值。 VD用于對音頻接口的保護，采用TSS管Tisp

19、61089DR，該芯片為擊穿電壓可控制TSS管，一般采用饋電電壓作為TSS管的觸發(fā)電平。該電路可以滿足YD5098-2001標準的3KA（8/20us）沖擊電流要求。（2） 使用時接受局端發(fā)送過來的饋電和鈴流，接口防護電路可參照圖7-19進行設計。圖5 無一級保護的模擬用戶口防護電路（接受局端發(fā)送過來的饋電和鈴流）對于設備有保護接地端子，需要考慮差模、共模的防護；若設備是不導電的塑料外殼，沒有保護接地端子，共模的絕緣耐壓很高，此時只需考慮差模保護。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，也可采用三只擊穿電壓為360V的壓敏電阻S14K230進行差模

20、和共模保護。采用放電管的優(yōu)點是占用PCB板面積小，缺點是差模殘壓大，而采用壓敏電阻正好相反。 PTC采用10的值。后級RV采用擊穿電壓為82V的壓敏電阻，進行差模保護（鈴流檢測電路和信號電路是通過摘掛機開關分開的，鈴流不會影響后級保護器件動作），該位置的保護器件也可以采用TSS管。該電路可以滿足YD5098-2001標準的3KA（8/20us）沖擊電流要求，同時也能達到ITU-T K.21標準的測試指標要求。1.2.2 數字用戶口（U接口）防雷電路1.2.2.1 有配線架一級保護對于局端設備，一般前面有配線架的一級保護，使用時向線路輸出遠供電壓，選用保護器件的動作電壓要考慮遠供的電壓要求，同時

21、要滿足電力線碰觸試驗的要求，此時接口的保護可以采用圖6所示的電路。ab圖6 有一級保護的數字用戶口防護電路PTC放在電路前面用于過流保護。耦合器之前采用TSS管TPI1201IN，該芯片集成了三個TSS管，具有差模和共模的保護功能。耦合器之后接口芯片之前采用TVS穩(wěn)壓二極管（如PSOT05C）進行保護（圖a），也可以采用上下拉開關二極管來進行保護（圖b）。該電路可以滿足ITU-T K.20標準的測試指標要求。1.2.2.2 無配線架一級保護對于遠端小型網絡設備或終端設備，通常情況前面沒有配線架的一級保護，使用時接受局端發(fā)送過來的遠供，此時防雷量級要大，同時也要滿足電力線碰觸的測試要求。接口防護

22、電路應可參照圖7進行設計。圖7 無一級保護的數字用戶口防護電路對于設備有保護接地端子，需要考慮差模、共模的防護；若設備是不導電的塑料外殼，沒有保護接地端子，共模的絕緣耐壓很高，此時只需考慮差模保護。耦合器之前的前級電路的前級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，也可采用三只擊穿電壓為360V的壓敏電阻S14K230進行差模和共模保護。采用放電管的優(yōu)點是占用PCB板面積小，缺點是差模殘壓大，而采用壓敏電阻正好相反。后級采用TSS管TPI1201IN，該芯片集成了三個TSS管，具有差模和共模的保護功能，耦合器之后采用TVS管（如PSOT05C）進行保護，也可以

23、采用上下拉開關二極管來進行保護。該電路可以滿足YD5098-2001標準的3KA（8/20us）沖擊電流要求。1.2.3 ADSL口防雷電路1.2.3.1 有配線架一級保護對于局端設備，一般前面有配線架（MDF）的一級保護，與模擬用戶口（POTS）共同使用一對平衡雙絞線，選用保護器件的動作電壓要考慮模擬用戶口輸出的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，此時接口的保護可以采用圖8所示的電路。圖8 有一級保護的ADSL口防護電路PTC采用0.82的值，主要是考慮降低PTC的阻值對ADSL信號的衰減。耦合器之前采用三只TSS管TISP4350H3BJR，進行差模和共模保護。由于耦合

24、器部分是帶有濾波器的，能有效濾除雷擊的低頻能量，因此耦合器之后接口芯片之前可以不用保護器件，當然也可以采用上下拉開關二極管進行保護。該電路可以滿足ITU-T K.20標準的測試指標要求。1.2.3.2 無配線架一級保護對于遠端小型網絡設備或終端設備，通常情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信號，此時防雷量級要大，同時也要滿足電力線碰觸的測試要求。接口防護電路應可參照圖9進行設計。圖9 無一級保護的ADSL口防護電路對于設備有保護接地端子，需要考慮差模、共模的防護；若設備是不導電的塑料外殼，沒有保護接地端子，共模的絕緣耐壓很高，此時只需考慮差模保護。最前級電路的前級G

25、1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，不能采用壓敏電阻，這主要是壓敏電阻的結電容比較大，會影響ADSL的信號質量。 PTC采用0.82的值。耦合器之前采用三只TSS管TISP4350H3BJR，進行差模和共模保護。后級接口芯片可以采用上下拉開關二極管進行保護。該電路可以滿足YD5098-2001標準的3KA（8/20us）沖擊電流要求。1.2.4 VDSL口防雷電路1.2.4.1 有配線架一級保護對于局端設備，一般前面有配線架（MDF）的一級保護，與模擬用戶口（POTS）共同使用一對平衡雙絞線，選用保護器件的動作電壓要考慮模擬用戶口輸出的饋電和鈴流有效值的疊

26、加，同時要滿足電力線碰觸試驗的要求。接口防護電路應按照圖10進行設計。圖10 有一級保護的VDSL口防護電路耦合器之前采用兩只TSS管TISP4350H3BJR進行共模保護。由于采用的TSS管結電容約為35pF左右，對VDSL信號來講電容稍高，同時共模防護電路能滿足差模過電壓不會造成設備損壞，因此在耦合器前級沒有加上差模保護的TSS管。由于耦合器部分是帶有濾波器的，能有效濾除雷擊的低頻能量，因此耦合器之后接口芯片之前采用通流量相對小、結電容相對小的TVS管SM16LC05C-T進行差模保護，當然也可以采用上下拉開關二極管進行保護。 PTC采用0.82的值，主要是考慮降低PTC的阻值對VDSL信號的衰減。該電路可以滿足ITU-T K.20標準的測試指標要求。 1.2.4.2 無配線架一級保護對于遠端小型網絡設備或終端設備，通常情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信號，此時防雷量級要大，同時也要滿足電力線碰觸的測試要求。接口防護電路應按照圖11進行設計。圖11 無一級保護的VDSL口防護電路對于設備有保護接地端子，需要考慮差模、共模的防護；若設備是不導電的塑料外殼，沒有保護接地端子，共模的絕緣耐壓很高，此時只需考慮差模保護。最前級G1可以采用通流能力10kA（8/20us），擊穿電