地面控制设备浪涌防护单元电路设计规范V002

地面控制设备浪涌防护单元电路设计规范V002北京全路通信信号研究设计院有限公司2013年03月20日文件状态:预备中修改记录版本修改章节修改内容概要修改人日期V0.0.1建立文件全部孙超邹未栋2013.03.20V0.0.23.1节、3.3节、4.1节、4.3节、5.1节修改了can防浪涌器件；修改了can防浪涌优化电路；增加了以太网PCB板布局拓扑图；增加了以太网防浪涌优化电路的讲明；修改了电源防浪涌电路的适用范畴孙超2013.5.24目录1 引言 51.1. 讲明 51.2. 依据 51.3. 缩略语定义 52 RS-232接口浪涌防护设计 62.1. RS-232接口防护电路图 62.2. RS-232接口防护电路测试结果 62.2.1. 残压测试 62.2.2. 上电测试 82.3. 优化电路 113 CAN通信接口浪涌防护设计 123.1. CAN通信接口防护电路图 123.2. CAN通信接口防护电路测试结果 123.2.1. 残压测试 123.2.2. 上电测试 143.3. 优化电路 184 以太网通信接口浪涌防护设计 194.1. 以太网通信接口防护电路图 194.2. 以太网通信接口防护电路测试结果 194.2.1. 残压测试 194.2.2. 上电测试 214.3. 优化电路 215 电源接口浪涌防护设计 225.1. 电源接口防护电路图 225.2. 电源接口防护电路测试结果 235.2.1. 残压测试 235.2.2. 上电测试 235.3. 优化电路 236 驱采接口浪涌防护设计 246.1. 驱采接口防护电路图 246.2. 电源接口防护电路测试结果 246.2.1. 残压测试 246.2.2. 上电测试 256.3. 优化电路 26表格名目TOC\h\z\t"表格编号"\c表1 缩略语定义 5表2 缩略语定义 5表3 串口防护电路器件选型与讲明 6表4 串口残压测试表 6表5 串口上电测试表 8表6 CAN通信防护电路器件选型与讲明 12表7 CAN通信接口残压测试表 12表8 CAN通信接口上电测试表 14表9 以太网通信防护电路器件选型与讲明 19表10 以太网通信接口残压测试表 19表11 电源接口防护电路器件选型与讲明 22表12 电源接口残压测试表 23表13 驱采接口防护电路器件选型与讲明 24表14 驱采接口残压测试表 24表15 驱采接口上电测试表 25引言讲明本文件仅针对地面操纵设备中各种接口浪涌防护单元电路设计进行讲明、并依据有关标准对防浪涌电路进行试验给出报告。依据缩略语定义序号文档编号文档版本备注1铁运[2006]

26号铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见2TB/T

3074-2003铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件缩略语定义缩略语定义序号缩略语含义讲明CRSCD北京全路通信信号研究设计院有限公司CI-LAN以太网与CAN通信转换单元PIOLKD2-T1列控中心驱采单元TVS瞬态电压抑制器GDT气体放电管RS-232接口浪涌防护设计RS-232接口防护电路图串口防护电路器件选型与讲明标号器件型号作用GDT1、GDT3、GDT6气体放电管SL1411A075A一级共模防护GDT2、GDT4、GDT5气体放电管SL1411A075A一级差模防护R1、R2、R3功率电阻R/2W退耦TVS1、TVS4、TVS6TVS管SMDJ15CA二级共模防护TVS2、TVS3、TVS5TVS管SMDJ15CA二级差模防护PGND防雷地RS-232接口防护电路测试残压测试串口残压测试表试验环境：在未加电的情形下，对防护板上串口的TX和RX接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对RX和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。测试参数残压波形图备注1KV（差模）2KV（差模）2KV（共模）4KV（共模）上电测试串口上电测试表实验环境：将两块CI-LAN板及其防护板如下图连接，使其能够正常的进行串口发送接收功能，对串口的TX和RX接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对RX和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。观看CI-LAN板的工作情形。测试参数残压波形图备注1KV（差模）2KV（差模）2KV（共模）4KV（共模）-4KV（共模）实验结果：在差模、共模测试中，串口通信都会在停顿1s左右复原正常；而且有时以太网端口通信会受到干扰，以太网通信中断1s左右复原。优化电路优化改进如下：a优化电路中去掉了第一级防雷的气体放电管，因为在室内防雷标准要求范畴内，气体放电管是不工作的；b优化电路中去掉了共模防护电路，共模防护电路会因为器件地和防雷地（PE）之间存在压差，导致防护器件误导通或者烧毁，而且耐压测试无法通过。共模防护要紧通过各信号线与防雷地（PE）之间的布线距离来防护，因此PCB板布线中要注意信号线与防雷地的安规距离；c优化电路在TVS管后级串联电阻，进一步吸取TVS管的残压（嵌位电压），按照串口的频率特性，电阻阻值选择50Ω。电阻按照功率要求选择0805表贴封装电阻。d若串口只做调试用时，能够只串联50Ω电阻即可。注：优化电路未经测试。CAN通信接口浪涌防护设计CAN通信接口防护电路图CAN通信防护电路器件选型与讲明标号器件型号作用GDT1、GDT2气体放电管SL1411A075一级共模防护GDT3气体放电管SL1411A075一级差模防护R1、R2功率电阻R/2W退耦SIDACtor1、SIDACtor2固态放电管P0080SCMCLRP二级共模防护SIDACtor3固态放电管P0080SCMCLRP二级差模防护PGND防雷地CAN1GNDCAN通信地CAN通信接口防护电路测试结果残压测试CAN通信接口残压测试表试验环境：在未加电的情形下，对防护板上CAN通信接口的CAN1H和CAN1L接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对CAN1H和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。测试参数残压波形图备注1KV（差模）2KV（差模）2KV（共模）4KV（共模）上电测试CAN通信接口上电测试表实验环境：将两块CI-LAN板及其防护板如下图连接，使其能够正常的进行CAN通信发送接收功能，对CAN通信的CAN1H和CAN1L接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对CAN1H和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。观看CI-LAN板的工作情形。测试参数残压波形图备注1KV（差模）-1KV（差模）2KV（差模）-2KV（差模）2KV（共模）-2KV（共模）4KV（共模）-4KV（共模）实验结果：在差模、共模测试中，CAN通信能够正常工作可不能停顿；以太网端口通信有时会受到干扰，以太网通信中断1s左右复原。优化电路优化改进如下：a优化电路中去掉了第一级防雷的气体放电管，因为在室内防雷标准要求范畴内，气体放电管是不工作的，同时固态放电管具有气体放电管的一部分特性；b优化电路考虑到CAN总线防浪涌器件整体容抗的数值范畴，去掉了差模防护器件，双绞线传输电缆，共模防护器件和CAN收发器本身都能够有效进行差模防护。c优化电路在固态放电管后级串联电阻，起到退耦和进一步吸取残压的作用，按照CAN总线的频率特性，电阻阻值选择5.1Ω-10Ω之间（5.1Ω为体会值）。电阻按照功率要求选择0805表贴封装电阻。注：优化电路未经测试以太网通信接口浪涌防护设计以太网接口布局结构下图为单独以太网接口的PCB板布局拓扑图：❶❷C1为安规电容，容值1000pf-2200pf之间；R2为安规电阻，阻值应≥1MΩ；❸尽量选择不带指示灯的RJ45接口，因为指示灯的走线会破坏地分割；❹单独以太网口的数字地要与模拟地分开，此处与多以太网口布局有区别；❺❻模拟地与隔离地与PGND之间的安规距离应≥3mm下图为多以太网接口的PCB板布局拓扑图：❶❷C1为安规电容，容值1000pf-2200pf之间；R2为安规电阻，阻值应≥1MΩ；❸数字地与模拟地因有多点回流容易造成地环流，因此此处模拟地与数字地不分开，然而在拓扑结构上仍旧按照数字地和模拟地的结构；若使用DM9000器件从芯片上有模拟电源输出的PHY芯片，能够采纳数字地与模拟地单点接地的方法。❹前插板与后插板的隔离地应通过接插件连通；❺两个以上的RJ45接口在接PGND时中间应断开，不应构成环形；❻由PHY器件到网络变压器之间的走线应进行戴维南匹配（下拉50Ω）；❼尽量选择不带指示灯的RJ45接口，因为指示灯的走线会破坏地分割；❽在更高频率的以太网中此处可用磁珠替换电阻❾❿模拟地与隔离地与PGND之间的安规距离应≥3mm以太网通信接口防护电路图以太网通信防护电路器件选型与讲明标号器件型号作用GDT1、GDT3、GDT4、GDT6气体放电管SL1411A075A一级共模防护GDT2、GDT5气体放电管SL1411A075A一级差模防护R1、R2、R3、R4功率电阻R/2W退耦TVS1、TVS2TVS管阵列SP03-3.3二级差模防护U1、U3TVS管阵列SP4062三级差模防护PGND防雷地以太网通信接口防护电路测试结果残压测试以太网通信接口残压测试表试验环境：在未加电的情形下，对防护板上以太网通信接口的TPO_N和TPO_P接线进行差模10/700us电压波形浪涌测试，对TPO_N和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。测试参数残压波形图备注500V（差模）1KV（差模）2KV（差模）1KV（共模）2KV（共模）上电测试实验结果：在差模、共模测试中，以太网通信会停顿1s左右，随后通信复原正常，浪涌测试最大值为：10/700us电压波，共模4KV，差模2KV。优化电路优化改进如下：优化电路中去掉了第一级防浪涌的气体放电管，因为在室内浪涌防护标准范畴内，气体放电管是不工作的；优化电路中去掉了共模防护，因为网络变压器本身能够防护5KV-6KV浪涌冲击，在网络变压器前进行共模防护会降低网络变压器的防护性能。在符合4.1节中所规定的PCB板布局结构中，能够去掉三级防护器件SP4062，并在传输线中串联2Ω电阻。电源接口浪涌防护设计电源接口防护电路图电源接口防护电路器件选型与讲明标号器件型号作用TVS1、TVS2大电流瞬态抑制器AK10-030C一级共模防护TVS3大电流瞬态抑制器AK10-030C一级差模防护FUSE3、FUSE4防雷保险管LVSP-10防止一级防浪涌器件短路，保险管熔断，整个电源供电不受阻碍FUSE1、FUSE2保险管154001后级电路短路防护TVS4、TVS5TVS管SMDJ33CA二级共模防护TVS6TVS管SMDJ33CA二级差模防护FUSE3、FUSE4阻抗过大，与TVS3串联导致一级防护电路残压过大，并联TVS6能够有效减小阻抗，降低残压PGND防雷地该防浪涌电路应作为整体电源的防护，单板上的电源不做上述防护。电源接口防护电路测试结果残压测试电源接口残压测试表试验环境：在未加电的情形下，对防护板上电源接口的24VIN+和24VIN-接线进行8/20us电流波形浪涌测试，对24VIN+和防雷地接线进行共模8/20us电流波形浪涌测试。测试参数残压波形图备注1.5KA（差模）残压操纵在50V以下上电测试实验结果：在差模、共模测试中，以太网通信会停顿1s左右，随后通信复原正常；其他通信接口工作正常。浪涌测试最大值为：8/20us电流波，共模4KA，差模2KA。优化电路打算对第一级防护器件AK10-030C选型进行优化。考虑减小通流量（现为10KA），提升工作电压（现为30V，击穿电压32V-37V）。驱采接口浪涌防护设计驱采接口防护电路图驱采接口防护电路器件选型与讲明标号器件型号作用FUSE1、FUSE2保险管04611.25ERTVS管、后级电路短路防护TVS1TVS管5KP33CA一级差模防护TVS2、TVS3TVS管5KP33CA一级共模防护PGND防雷地电源接口防护电路测试结果残压测试驱采接口残压测试表试验环境：在未加电的情形下，对防护板上电源接口的IN1和-24VCLLCT接线进行10/700us电压波形浪涌测试，对IN1和防雷地接线进行共模10/700us电压波形浪涌测试。测试参数残压波形图备注2KV（差模）4KV（共模）上电测试驱采接口上电测试表实验环境：将PIO板与防护板如下图连接，使其能够正常进行驱动