地面控制設(shè)備浪涌防護(hù)電路設(shè)計(jì)規(guī)范培訓(xùn)教材

1、 . . 30/30地面控制設(shè)備浪涌防護(hù)單元電路設(shè)計(jì)規(guī)全路通信信號研究2013年03月20日文件狀態(tài):準(zhǔn)備中 修改記錄版本修改章節(jié)修改容概要修改人日期V0.0.1建立文件全 部超鄒未棟2013.03.20V0.0.23.1節(jié)、3.3節(jié)、4.1節(jié)、4.3節(jié)、5.1節(jié)修改了can防浪涌器件；修改了can防浪涌優(yōu)化電路；增加了以太網(wǎng)PCB板布局拓?fù)鋱D；增加了以太網(wǎng)防浪涌優(yōu)化電路的說明；修改了電源防浪涌電路的適用圍超2013.5.24目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3515310981引言 PAGEREF _Toc351531098 h 5HYPERLINK l

2、_Toc3515310991.1.說明 PAGEREF _Toc351531099 h 5HYPERLINK l _Toc3515311001.2.依據(jù) PAGEREF _Toc351531100 h 5HYPERLINK l _Toc3515311011.3.縮略語定義 PAGEREF _Toc351531101 h 5HYPERLINK l _Toc3515311022RS-232接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc351531102 h 6HYPERLINK l _Toc3515311032.1.RS-232接口防護(hù)電路圖 PAGEREF _Toc351531103 h 6HYPE

3、RLINK l _Toc3515311042.2.RS-232接口防護(hù)電路測試結(jié)果 PAGEREF _Toc351531104 h 6HYPERLINK l _Toc3515311052.2.1.殘壓測試 PAGEREF _Toc351531105 h 6HYPERLINK l _Toc3515311062.2.2.上電測試 PAGEREF _Toc351531106 h 8HYPERLINK l _Toc3515311072.3.優(yōu)化電路 PAGEREF _Toc351531107 h 11HYPERLINK l _Toc3515311083CAN通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì) PAGEREF _To

4、c351531108 h 12HYPERLINK l _Toc3515311093.1.CAN通信接口防護(hù)電路圖 PAGEREF _Toc351531109 h 12HYPERLINK l _Toc3515311103.2.CAN通信接口防護(hù)電路測試結(jié)果 PAGEREF _Toc351531110 h 12HYPERLINK l _Toc3515311113.2.1.殘壓測試 PAGEREF _Toc351531111 h 12HYPERLINK l _Toc3515311123.2.2.上電測試 PAGEREF _Toc351531112 h 14HYPERLINK l _Toc351531

5、1133.3.優(yōu)化電路 PAGEREF _Toc351531113 h 18HYPERLINK l _Toc3515311144以太網(wǎng)通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc351531114 h 19HYPERLINK l _Toc3515311154.1.以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路圖 PAGEREF _Toc351531115 h 19HYPERLINK l _Toc3515311164.2.以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路測試結(jié)果 PAGEREF _Toc351531116 h 19HYPERLINK l _Toc3515311174.2.1.殘壓測試 PAGEREF _Toc351531117

6、 h 19HYPERLINK l _Toc3515311184.2.2.上電測試 PAGEREF _Toc351531118 h 21HYPERLINK l _Toc3515311194.3.優(yōu)化電路 PAGEREF _Toc351531119 h 21HYPERLINK l _Toc3515311205電源接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc351531120 h 22HYPERLINK l _Toc3515311215.1.電源接口防護(hù)電路圖 PAGEREF _Toc351531121 h 22HYPERLINK l _Toc3515311225.2.電源接口防護(hù)電路測試結(jié)果 PAG

7、EREF _Toc351531122 h 23HYPERLINK l _Toc3515311235.2.1.殘壓測試 PAGEREF _Toc351531123 h 23HYPERLINK l _Toc3515311245.2.2.上電測試 PAGEREF _Toc351531124 h 23HYPERLINK l _Toc3515311255.3.優(yōu)化電路 PAGEREF _Toc351531125 h 23HYPERLINK l _Toc3515311266驅(qū)采接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc351531126 h 24HYPERLINK l _Toc3515311276.1.驅(qū)

8、采接口防護(hù)電路圖 PAGEREF _Toc351531127 h 24HYPERLINK l _Toc3515311286.2.電源接口防護(hù)電路測試結(jié)果 PAGEREF _Toc351531128 h 24HYPERLINK l _Toc3515311296.2.1.殘壓測試 PAGEREF _Toc351531129 h 24HYPERLINK l _Toc3515311306.2.2.上電測試 PAGEREF _Toc351531130 h 25HYPERLINK l _Toc3515311316.3.優(yōu)化電路 PAGEREF _Toc351531131 h 26表格目錄TOC h z t

9、 表格編號 cHYPERLINK l _Toc351539589表1縮略語定義 PAGEREF _Toc351539589 h 5HYPERLINK l _Toc351539590表2縮略語定義 PAGEREF _Toc351539590 h 5HYPERLINK l _Toc351539591表3串口防護(hù)電路器件選型與說明 PAGEREF _Toc351539591 h 6HYPERLINK l _Toc351539592表4串口殘壓測試表 PAGEREF _Toc351539592 h 6HYPERLINK l _Toc351539593表5串口上電測試表 PAGEREF _Toc3515

10、39593 h 8HYPERLINK l _Toc351539594表6CAN通信防護(hù)電路器件選型與說明 PAGEREF _Toc351539594 h 12HYPERLINK l _Toc351539595表7CAN通信接口殘壓測試表 PAGEREF _Toc351539595 h 12HYPERLINK l _Toc351539596表8CAN通信接口上電測試表 PAGEREF _Toc351539596 h 14HYPERLINK l _Toc351539597表9以太網(wǎng)通信防護(hù)電路器件選型與說明 PAGEREF _Toc351539597 h 19HYPERLINK l _Toc351

11、539598表10以太網(wǎng)通信接口殘壓測試表 PAGEREF _Toc351539598 h 19HYPERLINK l _Toc351539599表11電源接口防護(hù)電路器件選型與說明 PAGEREF _Toc351539599 h 22HYPERLINK l _Toc351539600表12電源接口殘壓測試表 PAGEREF _Toc351539600 h 23HYPERLINK l _Toc351539601表13驅(qū)采接口防護(hù)電路器件選型與說明 PAGEREF _Toc351539601 h 24HYPERLINK l _Toc351539602表14驅(qū)采接口殘壓測試表 PAGEREF _T

12、oc351539602 h 24HYPERLINK l _Toc351539603表15驅(qū)采接口上電測試表 PAGEREF _Toc351539603 h 25引言說明本文件僅針對地面控制設(shè)備中各種接口浪涌防護(hù)單元電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說明、并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對防浪涌電路進(jìn)行試驗(yàn)給出報(bào)告。依據(jù)縮略語定義序號文檔編號文檔版本備注1鐵運(yùn)200626號鐵路信號設(shè)備雷電與電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見2TB/T3074-2003鐵道信號設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件縮略語定義縮略語定義序號縮略語含 義說 明CRSCD全路通信信號研究CI-LAN以太網(wǎng)與CAN通信轉(zhuǎn)換單元PIOLKD2-T1列控中心驅(qū)采單元TVS瞬態(tài)電壓

13、抑制器GDT氣體放電管RS-232接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)RS-232接口防護(hù)電路圖串口防護(hù)電路器件選型與說明標(biāo)號器件型號作用GDT1、GDT3、GDT6氣體放電管SL1411A075A一級共模防護(hù)GDT2、GDT4、GDT5氣體放電管SL1411A075A一級差模防護(hù)R1、R2、R3功率電阻R/2W退耦TVS1、TVS4、TVS6TVS管SMDJ15CA二級共模防護(hù)TVS2、TVS3、TVS5TVS管SMDJ15CA二級差模防護(hù)PGND防雷地注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。RS-232接口防護(hù)電路測試殘壓測試串口殘壓測試表試驗(yàn)環(huán)境：在未加電的情況下，對防護(hù)板上串口的TX和R

14、X接線進(jìn)行差模10/700us電壓波形浪涌測試，對RX和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us電壓波形浪涌測試。測試參數(shù)殘壓波形圖備注1KV（差模）2KV（差模）2KV（共模）4KV（共模）上電測試串口上電測試表實(shí)驗(yàn)環(huán)境：將兩塊CI-LAN板與其防護(hù)板如下圖連接，使其可以正常的進(jìn)行串口發(fā)送接收功能，對串口的TX和RX接線進(jìn)行差模10/700us電壓波形浪涌測試，對RX和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us電壓波形浪涌測試。觀察CI-LAN板的工作情況。測試參數(shù)殘壓波形圖備注1KV（差模）2KV（差模）2KV（共模）4KV（共模）-4KV（共模）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測試中，串口通信都會在停頓1s左右

15、恢復(fù)正常；而且有時以太網(wǎng)端口通信會受到干擾，以太網(wǎng)通信中斷1s左右恢復(fù)。優(yōu)化電路優(yōu)化改進(jìn)如下：a優(yōu)化電路中去掉了第一級防雷的氣體放電管，因?yàn)樵谑曳览讟?biāo)準(zhǔn)要求圍，氣體放電管是不工作的；b優(yōu)化電路中去掉了共模防護(hù)電路，共模防護(hù)電路會因?yàn)槠骷睾头览椎兀≒E）之間存在壓差，導(dǎo)致防護(hù)器件誤導(dǎo)通或者燒毀，而且耐壓測試無法通過。共模防護(hù)主要通過各信號線與防雷地（PE）之間的布線距離來防護(hù)，所以PCB板布線中要注意信號線與防雷地的安規(guī)距離；c優(yōu)化電路在TVS管后級串聯(lián)電阻，進(jìn)一步吸收TVS管的殘壓（嵌位電壓），根據(jù)串口的頻率特性，電阻阻值選擇50。電阻根據(jù)功率要求選擇0805表貼封裝電阻。d若串口只做調(diào)試用

16、時，可以只串聯(lián)50電阻即可。注：優(yōu)化電路未經(jīng)測試。CAN通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)CAN通信接口防護(hù)電路圖CAN通信防護(hù)電路器件選型與說明標(biāo)號器件型號作用GDT1、GDT2氣體放電管SL1411A075一級共模防護(hù)GDT3氣體放電管SL1411A075一級差模防護(hù)R1、R2功率電阻R/2W退耦SIDACtor1、SIDACtor2固態(tài)放電管P0080SCMCLRP二級共模防護(hù)SIDACtor3固態(tài)放電管P0080SCMCLRP二級差模防護(hù)PGND防雷地CAN1GNDCAN通信地注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。CAN通信接口防護(hù)電路測試結(jié)果殘壓測試CAN通信接口殘壓測試表試驗(yàn)

17、環(huán)境：在未加電的情況下，對防護(hù)板上CAN通信接口的CAN1H和CAN1L接線進(jìn)行差模10/700us電壓波形浪涌測試，對CAN1H和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us電壓波形浪涌測試。測試參數(shù)殘壓波形圖備注1KV（差模）2KV（差模）2KV（共模）4KV（共模）上電測試CAN通信接口上電測試表實(shí)驗(yàn)環(huán)境：將兩塊CI-LAN板與其防護(hù)板如下圖連接，使其可以正常的進(jìn)行CAN通信發(fā)送接收功能，對CAN通信的CAN1H和CAN1L接線進(jìn)行差模10/700us電壓波形浪涌測試，對CAN1H和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us電壓波形浪涌測試。觀察CI-LAN板的工作情況。測試參數(shù)殘壓波形圖備注1KV（差模

18、）-1KV（差模）2KV（差模）-2KV（差模）2KV（共模）-2KV（共模）4KV（共模）-4KV（共模）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測試中，CAN通信可以正常工作不會停頓；以太網(wǎng)端口通信有時會受到干擾，以太網(wǎng)通信中斷1s左右恢復(fù)。優(yōu)化電路優(yōu)化改進(jìn)如下：a優(yōu)化電路中去掉了第一級防雷的氣體放電管，因?yàn)樵谑曳览讟?biāo)準(zhǔn)要求圍，氣體放電管是不工作的，并且固態(tài)放電管具有氣體放電管的一部分特性；b優(yōu)化電路考慮到CAN總線防浪涌器件整體容抗的數(shù)值圍，去掉了差模防護(hù)器件，雙絞線傳輸電纜，共模防護(hù)器件和CAN收發(fā)器本身都可以有效進(jìn)行差模防護(hù)。c優(yōu)化電路在固態(tài)放電管后級串聯(lián)電阻，起到退耦和進(jìn)一步吸收殘壓的作用，根據(jù)CA

19、N總線的頻率特性，電阻阻值選擇5.1-10之間（5.1為經(jīng)驗(yàn)值）。電阻根據(jù)功率要求選擇0805表貼封裝電阻。注：優(yōu)化電路未經(jīng)測試以太網(wǎng)通信接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口布局結(jié)構(gòu)下圖為單獨(dú)以太網(wǎng)接口的PCB板布局拓?fù)鋱D：C1為安規(guī)電容，容值1000pf-2200pf之間；R2為安規(guī)電阻，阻值應(yīng)1M；盡量選擇不帶指示燈的RJ45接口，因?yàn)橹甘緹舻淖呔€會破壞地分割；單獨(dú)以太網(wǎng)口的數(shù)字地要與模擬地分開，此處與多以太網(wǎng)口布局有區(qū)別；模擬地與隔離地與PGND之間的安規(guī)距離應(yīng)3mm下圖為多以太網(wǎng)接口的PCB板布局拓?fù)鋱D：C1為安規(guī)電容，容值1000pf-2200pf之間；R2為安規(guī)電阻，阻值應(yīng)1M；數(shù)字地與模擬

20、地因有多點(diǎn)回流容易造成地環(huán)流，所以此處模擬地與數(shù)字地不分開，但是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上仍然按照數(shù)字地和模擬地的結(jié)構(gòu)；若使用DM9000器件從芯片上有模擬電源輸出的PHY芯片，可以采用數(shù)字地與模擬地單點(diǎn)接地的方法。 前插板與后插板的隔離地應(yīng)通過接插件連通； 兩個以上的RJ45接口在接PGND時中間應(yīng)斷開，不應(yīng)構(gòu)成環(huán)形； 由PHY器件到網(wǎng)絡(luò)變壓器之間的走線應(yīng)進(jìn)行戴維南匹配（下拉50）；盡量選擇不帶指示燈的RJ45接口，因?yàn)橹甘緹舻淖呔€會破壞地分割； 在更高頻率的以太網(wǎng)中此處可用磁珠替換電阻 模擬地與隔離地與PGND之間的安規(guī)距離應(yīng)3mm以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路圖以太網(wǎng)通信防護(hù)電路器件選型與說明標(biāo)號器件型號作用

21、GDT1、GDT3、GDT4、GDT6氣體放電管SL1411A075A一級共模防護(hù)GDT2、GDT5氣體放電管SL1411A075A一級差模防護(hù)R1、R2、R3、R4功率電阻R/2W退耦TVS1、TVS2TVS管陣列SP03-3.3二級差模防護(hù)U1、U3TVS管陣列SP4062三級差模防護(hù)PGND防雷地注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。以太網(wǎng)通信接口防護(hù)電路測試結(jié)果殘壓測試以太網(wǎng)通信接口殘壓測試表試驗(yàn)環(huán)境：在未加電的情況下，對防護(hù)板上以太網(wǎng)通信接口的TPO_N和TPO_P接線進(jìn)行差模10/700us電壓波形浪涌測試，對TPO_N和防雷地接線進(jìn)行共模10/700us電壓波

22、形浪涌測試。測試參數(shù)殘壓波形圖備注500V（差模）1KV（差模）2KV（差模）1KV（共模）2KV（共模）上電測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測試中，以太網(wǎng)通信會停頓1s左右，隨后通信恢復(fù)正常，浪涌測試最大值為：10/700us電壓波，共模4KV，差模2KV。優(yōu)化電路優(yōu)化改進(jìn)如下：優(yōu)化電路中去掉了第一級防浪涌的氣體放電管，因?yàn)樵谑依擞糠雷o(hù)標(biāo)準(zhǔn)圍，氣體放電管是不工作的；優(yōu)化電路中去掉了共模防護(hù)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)變壓器本身可以防護(hù)5KV-6KV浪涌沖擊，在網(wǎng)絡(luò)變壓器前進(jìn)行共模防護(hù)會降低網(wǎng)絡(luò)變壓器的防護(hù)性能。在符合4.1節(jié)中所規(guī)定的PCB板布局結(jié)構(gòu)中，可以去掉三級防護(hù)器件SP4062，并在傳輸線中串聯(lián)2電阻。電源

23、接口浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)電源接口防護(hù)電路圖電源接口防護(hù)電路器件選型與說明標(biāo)號器件型號作用TVS1、TVS2大電流瞬態(tài)抑制器AK10-030C一級共模防護(hù)TVS3大電流瞬態(tài)抑制器AK10-030C一級差模防護(hù)FUSE3、FUSE4防雷保險(xiǎn)管LVSP-10防止一級防浪涌器件短路，保險(xiǎn)管熔斷，整個電源供電不受影響FUSE1、FUSE2保險(xiǎn)管154001后級電路短路防護(hù)TVS4、TVS5TVS管SMDJ33CA二級共模防護(hù)TVS6TVS管SMDJ33CA二級差模防護(hù)FUSE3、FUSE4阻抗過大，與TVS3串聯(lián)導(dǎo)致一級防護(hù)電路殘壓過大，并聯(lián)TVS6可以有效減小阻抗，降低殘壓PGND防雷地注：以上防護(hù)器件均選用littelfuse公司生產(chǎn)的器件。FUSE1、FUSE2此處選型只是參考，要根據(jù)具體電路通流量數(shù)值進(jìn)行選。該防浪涌電路應(yīng)作為整體電源的防護(hù)，單板上的電源不做上述防護(hù)。電源接口防護(hù)電路測試結(jié)果殘壓測試電源接口殘壓測試表試驗(yàn)環(huán)境：在未加電的情況下，對防護(hù)板上電源接口的24VIN+和24VIN-接線進(jìn)行8/20us電流波形浪涌測試，對24VIN+和防雷地接線進(jìn)行共模8/20us電流波形浪涌測試。測試參數(shù)殘壓波形圖備注1.5KA（差模）殘壓控制在50V以下上電測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在差模、共模測試中，以太網(wǎng)