2022年信号口浪涌防护电路设计

1、信号口浪涌防护电路设计通讯设备的外连线和接口线都有可能遭受雷击（直接雷击或感应雷击）,比如沟通供 电线、用户线、 ISDN接口线、中继线、天馈线等,所以这些外连线和接口线均应实行雷击保 护措施；设计信号口防雷电路应留意以下几点：1、 防雷电路的输出残压值必需比被防护电路自身能够耐受的过电压峰值低,并有 肯定裕量；2、 防雷电路应有足够的冲击通流才能和响应速度；3、 信号防雷电路应满意相应接口信号传输速率及带宽的需求,且接口与被爱护设 备兼容；4、 信号防雷电路要考虑阻抗匹配的问题；5、 信号防雷电路的插损应满意通信系统的要求；6、 对于信号回路的峰值电压防护电路不应动作,通常在信号回路中,防护

2、电路的1.1动作电压是信号回路的峰值电压的1.3 1.6 倍；把高压在变压器网口防雷电路网口的防雷可以采纳两种思路：一种思路是要给雷电电流以泄放通路,之前泄放掉, 尽可能削减对变压器影响,同时留意削减共模过电压转为差模过电压的可能性；另一种思路是利用变压器的绝缘耐压,通过良好的器件选型与 PCB设计将高压隔离在变压器的初级, 从而实现对接口的隔离爱护；路就分别采纳的是这两种思路；1.1.1室外走线网口防雷电路下面的室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电当有可能室外走线时,端口的防护等级要求较高,防护电路可以按图 1设计；R1TXG1PE组合式TVS ,低节电容R2R3RXG2PE组合式TVS

3、 ,低节电容R4a TX+变比 1：11SLVU2.8-482.2 /2W3R097CXAUNUSED10/100UNUSEDTX+27ENTERNETTX-36RX+PHY45RX-TX-UNUSED RX+ UNUSEDRJ45RX-VCC75757575VCCGNDb 图1 室外走线网口防护电路图1a给出的是室外走线网口防护电路的基本原理图,从图中可以看出该电路的结构与室外走线 E1口防雷电路类似；共模防护通过气体放电管实现,差模防护通过气体放电管和 TVS管组成的二级防护电路实现；图中 G1和 G2是三极气体放电管,型号是 3R097CXA,它可以同时起到两信号线间的差模爱护和两线对地

4、的共模爱护成效；中间的退耦选用 2.2 /2W电阻, 使前后级防护电路能够相互协作,电阻值在保证信号传输的前提下尽可能往大选取,防雷性能会更好,但电阻值不能小于 2.2 ；后级防护用的 TVS管,由于网口传输速率高,在网口防雷电路中应用的组合式 TVS管需要具有更低的结电容,这里举荐的器件型号为 SLVU2.8-4 ；图 1b就是采纳上述器件网口部分的具体原理图；三极气体放电管的中间一极接爱护地 PGND,要保证设备的工作地 GND和爱护地 PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过 0 电阻或电容）,这样才能减小 GND和PGND的电位差,使防雷电路发挥爱护作用；电路设计

5、需要留意 RJ45接头到三极气体放电管的 PCB走线加粗到 40mil ,走线布在 TOP层或BOTTOM 层；如单层不能布这么粗的线,可实行两层或三层走线的方式来满意走线的宽度；退耦电阻到变压器的 PCB走线建议采纳 15mil 线宽；该防雷电路的插入损耗小于1.1.2室内走线网口防雷电路0.3dB ,对 100M以太网口的传输信号质量影响比较小；当只在室内走线时,防护要求较低,因此防雷电路可以简化设计,如图 2所示,图 2a是室内走线网口防护电路的基本原理图,图 2b是防护器件选用 SLVU2.8-4 时网口部分的具体原理图；组合式TVS ,低节电容a TX+变比 1：11SLVU2.8-

6、48UNUSED10/100UNUSEDTX+27ENTERNETTX-36RX+PHY45RX-TX-UNUSEDRX+UNUSEDRJ45RX-VCC75757575VCCGNDb 图2 室内走线网口防护电路RJ45接头的以太网信号电缆是平稳双绞线,感应的雷电过电压以共模为主,假如能够对过电压进行有效的防护,差模的防护选用小量级的器件就可以了,通常可以选用 SLVU2.8-4 ,它可以达到差模 0.5kV （1.2/50us ）的防护才能,但是当产品目标包括北美市场时,差模防护器件举荐选用 LC03-3.3 ,它可以满意 NEBS认证的需求；我们从共模防护的角度对图 1和图 2这两种电路做

7、一下比较；图 1的电路采纳气体放电管实现共模的防护, 当端口处有共模过电压产生时,通过击穿气体放电管转化成过电流并泄放,从而达到爱护的目的；而图 2中的网口防护电路只设计了差模的防护电路,没有设计共模的防护电路, 它在端口的共模防护上采纳就是我们前面说的隔离爱护的思路,它利用网口变压器的隔离特性实现端口的共模防护；当端口处有过电压产生时,这个过电压会加到网口变压器的初级, 由于变压器有肯定的隔离特性,只要过电压不超过变压器初级与次级的耐压才能而被击穿, 过电压会完全被隔离在初级侧,从而对次级侧基本不造成影响,达到端口爱护的目的；从上述原理可以看出, 图2这种电路的共模防护主要靠变压器前级的 P

8、CB走线以及变压器的绝缘耐压实现,因此要严格留意器件的选型和 PCB的设计；第一,在以太网口电路设计时应树立高压线路和低压线路分开的意识；其中变压器接外线侧的以太网差分信号线、Bob-Smitch 电路是直接连接到 RJ45接头上的, 简单引入外界的过 电压（如雷电感应等）,是属于高压信号线；而指示灯掌握线、电源、GND是由系统内供应,属于低压线路；依据网口连接器不同,网口电路分为带灯和不带灯两种,其中尤以带灯连接器的网口 防雷问题更为突出,因此下面以网口带灯电路为例具体说明如何区分高压线路与低压线路；网口带灯的典型电路如下图所示：图3 网口部分电路组成当网线上遭受感应雷击时,会在8根网线上同

9、时产生过电压；从安全的角度分析,应把网口部分分为高压区和低压区,如上图所示, 虚线框内即为高压区；因此网线感应雷电时主要在高压区有比较高的过电压；但是,在高压区仅有8根网线和相连的网络为高压线,而指示灯驱动线、 3.3V 供电电源、连接器外壳地PGND为低压线,网口电路Bob-Smith 电路中匹配电阻属于高压,指示灯限流电阻属于低压范畴,变压器线缆侧中间抽头电容一端为高压端,接PGND的一端为低压端；其次,网口防雷电路在器件选型和PCB设计过程中要留意以下几点：1、为了保证共模隔离耐压的承担才能,变压器需要满意初级和次级之间的沟通绝缘耐压不小于 AC1500V的指标；2、优先挑选不带灯的 R

10、J45,要引灯的话,建议采纳导光柱技术在芯片侧将指示灯的光线引到面板上,防止指示灯掌握信号穿越高压信号线和Bob-Smitch 电路所在的区域；3、指示灯掌握电路的限流电阻应放在掌握芯片侧,位置靠近掌握芯片,防止过电压直接对掌握芯片造成冲击；4、以太网信号线依据差分线走线规章,保证阻抗匹配,并且一对差分线的长度尽量一样长；5、假如变压器前级（靠RJ45接头侧）有中间抽头并且采纳Bob-Smith 电路,即75 电阻加一个 1000pF的接 PGND的电容；建议电容选取耐压大于DC2022V,电阻功率建议挑选1/10W的单个电阻,不宜采纳排阻；6、一个以太网接口采纳一个Bob-Smith 电路,

11、防止将多个以太网接口的Bob-Smith 电路复接在一起；7、对于 PCB层数大于 6层的单板,由于相邻层的绝缘材料小于12mil ,因此高压线和低压线不应布在相邻层,更不应交叉或近距离并行走线；8、由于通过变压器的隔离特性完成共模防护,所以高压信号线（差分线和 Bob-Smith 电路走线）和其它信号线（指示灯掌握线）、电源线、地线之 间应当保证足够的绝缘,不存在意外的放电途径；最终,要达到高压区与低压区之间有效的隔离,就要重视二者之间的 PCB走线设计；在 高压区,带高压的可能有：连接器管脚、布线、过孔、电阻焊盘、电容焊盘；带低压的可能有：布线、过孔、电阻焊盘、螺钉；对于相同的绝缘距离,耐

12、压才能依次为接地螺钉 电 容、电阻焊盘 走线过孔 表层走线 电容、电阻焊盘 走线过孔 表层走线 内层走线；这是由于螺钉整个为金属体,暴露面积比较大,简单成为放电通路；电容和电阻焊接两端表面为金属,同时由于外形为长方体,有棱角,很简单形成尖端放电；过孔在网口部分有许多, 表面是亮锡的,也简单产生击穿放电,但与电阻和电容焊接两端相比较,金属面积相对就小一些； PCB板的表层走线涂有绝缘绿油,内层的走线有介质包围,相对上面几种,耐压才能就应当高一点；在设计中,依据具体产品要求的抗浪涌等级,利用表 7-1 中的数据,就可以推算出 PCB设计需要掌握的各种绝缘距离；表 7-1 给出了在浪涌防护等级是 4

13、kV的时候, PCB设计要达到的安全绝缘距离；高压连接器线过孔焊盘（电容、电阻）管脚低压线20mil 20mil 20mil 33mil 过孔20mil 40mil 53mil 螺钉40mil 120mil 120mil 表1 PCB设计安全绝缘距离数据（依据 4KV耐冲击进行运算）综上所述,采纳图2的防护电路,通过良好的器件选型和PCB设计,可以实现共模2kV（1.2/50us ,最高可达 4kV）,差模 0.5kV （1.2/50us ）的防护才能；它可以应用于绝大多数室内走线的情形, 特殊是对于接入和终端设备,在实际使用中以太网线不采纳屏蔽电缆,而且安装使用长度大于 50米,在网口的防护

14、电路设计过程中宜对以上问题加以重视；对于网口的防护, 除了采纳以上的图1和图 2中的两种电路外, 仍有利用 RJ45接头管脚前端放电设计、 利用变压器中心抽头空气放电设计和利用变压器中心抽头采纳放电管放电设计等防护方式,特点均是利用绝缘放电实现防护、成本低、SFU&HGU 网口共模爱护PCB占用空间小；变压器隔离高压电容 SMITH电路走线 20mil 宽MDU网口共模爱护 线路侧中心抽头对爱护地加压敏电阻或放电管 线路侧网线加三端子放电管 网口差模爱护 MDU：线路侧 GDT+电路侧 TVS SFU&HGU ：电路侧 TVS 中国电信要求：MDU设备电源口应具备4KV（差模和共模）防护才能；

15、用户端口应供应1.5KV（差模和共模）防护才能；SFU/HGU设备的电源端口应具备4KV（差模和共模）防护才能；用户接口应具备0.5KV （差模和共模）防护才能；对差模浪涌, 不外加爱护就依靠于网络接口器件本身的固有防护才能 不同的 PHY芯片或SWITCH芯片本身固有的防护才能不同,不能一概而论,有些需要加,有些不需要,需要验证的；从测试实践中得知：RTL8204B,不加差模爱护的TVS,可以通过 1000V、 42 欧姆 、1.2/50 波形浪涌测试RTL8114,就必需加 BV03CW,才可以通过 1000V、 42 欧姆、 1.2/50 波形浪涌测试B50612不加 TVS只能过 50

16、0V ,要过 1000V需要加 TVS：BV03CW SD5115H, 不加 TVS只靠自己的内在爱护不能达到 500V差模防护 , 必需加 BV03C才能过500V,要过 1000V,必需加 BV03CL BCM68380/BCM68380F/BCM68385,需要加 BV03CW才能通过差模 500V测试；BV03C 寄生电容较大,只能用于 FE； BV03CW用于 GE；现已统一采纳 BV03CW BV03CL是350W的,与 150W的BV03C和BV03CW封装一样 , 但仍没有料号；网口共模浪涌测试,一般是8线同时对地；但K.21里规定是单线分别对地测试,同时对地仍是分别对地测试共

17、模,对一般网口没有差异,对 意这一点；灯线隔离问题POE有差异, POE防护设计时需要注带灯的 RJ45,灯线走线远离放电管或压敏电阻,远离网线；先爱护后滤波 1.2 用户口防雷电路1.2.1 模拟用户口（ Z口）防雷电路1.2.1.1 有配线架一级爱护对于局端设备, 一般前面有配线架的一级爱护,使用时向线路输出馈电和铃流信号,选用爱护器件的动作电压要考虑馈电和铃流有效值的叠加,同时要满意电力线碰触试验的要 求,接口防护电路可参照图 3进行设计；图3 有一级爱护的模拟用户口防护电路PTC采纳 55 的值,放在电路前面用于过流爱护；RV是击穿电压为 220V的压敏电阻,进行共模爱护,压敏电阻要有

18、肯定的通流才能,一般选直径为 7的器件,能抗击电力线碰触时的短时过电流（PTC动作之前）； VD用于对音频接口的爱护,采纳 TSS管Tisp61089DR,该芯片为击穿电压可掌握 TSS管,一般采纳馈电电压来作为 TSS管的触发参考电平；该防护电路可以满意 ITU-T K.20 标准的测试指标要求；1.2.1.2 无配线架一级爱护对于远端小型网络设备或终端设备,通常情形前面没有配线架的一级爱护,使用时接受局端发送过来的馈电和铃流,此时防雷量级要大,同时也要满意电力线碰触的测试要求,防护电路可以依据图 4和图 5设计；（1）使用时向线路输出馈电和铃流信号,接口防护电路可参照图 7-18 进行设计

19、；图4 无一级爱护的模拟用户口防护电路（向线路输出馈电和铃流信号）由于 PTC耐冲击过电压和过电流才能不高,因此此时不能将 PTC放在电路的最前面；电路的前级 G1可以采纳通流才能 10kA（8/20us ）,击穿电压较高的三极气体放电管,也可采纳三只直流击穿电压为 360V的压敏电阻 S14K230进行差模和共模爱护；选用比较高击穿电压的保护器件,主要是确保在电力线碰触（最大230Vac）时,过压爱护器件不应动作,同时也应考虑爱护器件的离散性,而通常气体放电管具有较大的离散性,其波动最高可达到器件手册给出的正常参数的 30；采纳放电管的优点是占用 PCB板面积小,缺点是残压大,而采纳压敏电阻

20、正好相反； PTC采纳 55 的值； VD用于对音频接口的爱护,采纳 TSS管Tisp61089DR ,该芯片为击穿电压可掌握 TSS管,一般采纳馈电电压作为 TSS管的触发电平； 该电路可以满意YD5098-2022标准的 3KA（8/20us ）冲击电流要求；（2）使用时接受局端发送过来的馈电和铃流,接口防护电路可参照图7-19 进行设计；图5 无一级爱护的模拟用户口防护电路（接受局端发送过来的馈电和铃流）对于设备有爱护接地端子,需要考虑差模、共模的防护；如设备是不导电的塑料外壳,没有爱护接地端子,共模的绝缘耐压很高,此时只需考虑差模爱护；电路的前级 G1可以采纳通流才能 10kA（8/2

21、0us ）,击穿电压较高的三极气体放电管,也可采纳三只击穿电压为 360V的压敏电阻 S14K230进行差模和共模爱护；采纳放电管的优点是占用 PCB板面积小,缺点是差模残压大,而采纳压敏电阻正好相反； PTC采纳 10 的值；后级RV采纳击穿电压为 82V的压敏电阻,进行差模爱护（铃流检测电路和信号电路是通过摘挂机开关分开的,铃流不会影响后级爱护器件动作）,该位置的爱护器件也可以采纳 TSS管；该电路可以满意 YD5098-2022标准的 3KA（8/20us ）冲击电流要求,同时也能达到 ITU-T K.21标准的测试指标要求；1.2.2 数字用户口（ U接口）防雷电路1.2.2.1 有配

22、线架一级爱护对于局端设备, 一般前面有配线架的一级爱护,使用时向线路输出远供电压,选用爱护器件的动作电压要考虑远供的电压要求,同时要满意电力线碰触试验的要求,此时接口的保护可以采纳图 6所示的电路；a b 图6 有一级爱护的数字用户口防护电路PTC放在电路前面用于过流爱护；耦合器之前采纳TSS管TPI1201IN ,该芯片集成了三个TSS管,具有差模和共模的爱护功能；耦合器之后接口芯片之前采纳 TVS稳压二极管（如PSOT05C）进行爱护（图 a）,也可以采纳上下拉开关二极管来进行爱护（图 b）；该电路可以满意 ITU-T K.20 标准的测试指标要求；1.2.2.2 无配线架一级爱护对于远端

23、小型网络设备或终端设备,通常情形前面没有配线架的一级爱护,使用时接受局端发送过来的远供,此时防雷量级要大,同时也要满意电力线碰触的测试要求；接口防护电路应可参照图 7进行设计；G1图7 PTC接口芯片PTC耦合器无一级爱护的数字用户口防护电路对于设备有爱护接地端子,需要考虑差模、共模的防护；如设备是不导电的塑料外壳,没有爱护接地端子,共模的绝缘耐压很高,此时只需考虑差模爱护；耦合器之前的前级电路的前级G1可以采纳通流才能10kA（8/20us ）,击穿电压较高的三极气体放电管,也可采纳三只击穿电压为360V的压敏电阻 S14K230进行差模和共模爱护；采用放电管的优点是占用 PCB板面积小,缺

24、点是差模残压大,而采纳压敏电阻正好相反；后级采纳 TSS管TPI1201IN ,该芯片集成了三个TSS管,具有差模和共模的爱护功能,耦合器之后采纳 TVS管（如 PSOT05C）进行爱护, 也可以采纳上下拉开关二极管来进行爱护；该电路可以 满意 YD5098-2022标准的 3KA（8/20us ）冲击电流要求；1.2.3ADSL 口防雷电路1.2.3.1 有配线架一级爱护对于局端设备,一般前面有配线架（MDF）的一级爱护,与模拟用户口（POTS）共同使用一对平稳双绞线, 选用爱护器件的动作电压要考虑模拟用户口输出的馈电和铃流有效值的 叠加,同时要满意电力线碰触试验的要求,此时接口的爱护可以采

25、纳图 8所示的电路；图8 有一级爱护的 ADSL口防护电路PTC采纳 0.8 2 的值, 主要是考虑降低PTC的阻值对 ADSL信号的衰减； 耦合器之前采纳三只 TSS管TISP4350H3BJR,进行差模和共模爱护；由于耦合器部分是带有滤波器的,能有效滤除雷击的低频能量,因此耦合器之后接口芯片之前可以不用爱护器件,当然也可以采纳上下拉开关二极管进行爱护；该电路可以满意 1.2.3.2 无配线架一级爱护ITU-T K.20 标准的测试指标要求；对于远端小型网络设备或终端设备,通常情形前面没有配线架的一级爱护,使用时接受局端发送过来的馈电和铃流信号,此时防雷量级要大, 同时也要满意电力线碰触的测

26、试要求；接口防护电路应可参照图 9进行设计；图9 无一级爱护的 ADSL口防护电路对于设备有爱护接地端子,需要考虑差模、 共模的防护； 如设备是不导电的塑料外壳,没有爱护接地端子,共模的绝缘耐压很高,此时只需考虑差模爱护；最前级电路的前级 G1可以采纳通流才能 10kA（8/20us ）,击穿电压较高的三极气体放电管,不能采纳压敏电阻,这主要是压敏电阻的结电容比较大,会影响 ADSL的信号质量； PTC采纳 0.8 2 的值； 耦合器之前采纳三只 TSS管 TISP4350H3BJR,进行差模和共模爱护；后级接口芯片可以采纳上下拉开关二极管进行爱护；该电路可以满意（8/20us ）冲击电流要求

27、；YD5098-2022标准的 3KA1.2.4 VDSL 口防雷电路 1.2.4.1 有配线架一级爱护对于局端设备,一般前面有配线架（MDF）的一级爱护,与模拟用户口（POTS）共同使用一对平稳双绞线, 选用爱护器件的动作电压要考虑模拟用户口输出的馈电和铃流有效值的叠加,同时要满意电力线碰触试验的要求；接口防护电路应依据图PTC10进行设计；TX接口芯片RX PTC 耦合器 图 10 有一级爱护的 VDSL口防护电路耦合器之前采纳两只TSS管TISP4350H3BJR进行共模爱护；由于采纳的TSS管结电容约为35pF左右,对VDSL信号来讲电容稍高,同时共模防护电路能满意差模过电压不会造成设

28、备损坏,因此在耦合器前级没有加上差模爱护的 TSS管；由于耦合器部分是带有滤波器的,能有效滤除雷击的低频能量,因此耦合器之后接口芯片之前采纳通流量相对小、结电容相对小的TVS管SM16LC05C-T进行差模爱护,当然也可以采纳上下拉开关二极管进行爱护； PTC采纳0.8 2 的值,主要是考虑降低 PTC的阻值对 VDSL信号的衰减；该电路可以满意 ITU-T K.20标准的测试指标要求；1.2.4.2 无配线架一级爱护对于远端小型网络设备或终端设备,通常情形前面没有配线架的一级爱护,使用时接受局端发送过来的馈电和铃流信号,此时防雷量级要大, 同时也要满意电力线碰触的测试要求；接口防护电路应依据图 11进行设计；PTC TXG1 接口芯片RXPTC 耦合器图11 无一级爱护的 VDSL口防护电路对于设备有爱护接地端子,需要考虑差模、共模的防护；如设备是不导电的塑料外壳,没有爱护接地端子,共模的绝缘耐压很高,此时只需考虑差模爱护；最前级 G1可以采