RJ45以太網(wǎng)口防雷設(shè)計總結(jié)

1、笫 頁共7頁以太網(wǎng)口防雷設(shè)計總結(jié)關(guān)鍵字：以太網(wǎng)口；浪涌；TVS管；共模；差模；問題背景介紹：對于主要的100M網(wǎng)口接口需要做特殊的保護處理，具體要求需要達(dá)到6KV設(shè)計目標(biāo)（10/700雷電模擬電壓波），作者在調(diào)試過程中對傳統(tǒng)bob-smith端接和防雷設(shè)計做了相關(guān)的工作，在此總結(jié)出來供以后網(wǎng)口防雷設(shè)計參考。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UTP無屏蔽雙絞線）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，EMI抑制。具體變壓器模型分析在以太網(wǎng)口輻射設(shè)計中詳述。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)生浪涌時候管腳直接對屏蔽罩放電的現(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；防雷器對端口的保護，分為共模保護和差模保護兩個方面。RJ45接頭的以太網(wǎng)信號電纜是平衡雙絞線，感

3、應(yīng)的雷電過電壓以共模為主，線纜間的差模過電壓/過電流相對小一些。但是非理想網(wǎng)絡(luò)變壓器情況下，共模的過電壓/過電流也可以轉(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，盡可能減少對變壓器影響，同時注意減少共模過電壓轉(zhuǎn)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(shè)計將高壓隔離在變壓器的初級，從而實現(xiàn)對接口的隔離保護。我們設(shè)計的防護電路要獲得滿意的防雷效果，應(yīng)注意以下幾點要求：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；防雷電路應(yīng)有足夠的沖擊通流能力和響應(yīng)速度；信號防雷電路應(yīng)滿

4、足相應(yīng)接口信號傳輸速率及帶寬的需求，且接口與被保護設(shè)備兼容；信號防雷電路要考慮阻抗匹配的問題；信號防雷電路的插損應(yīng)滿足通信系統(tǒng)的要求；對于信號回路的峰值電壓防護電路不應(yīng)動作，通常在信號回路中，防護電路的動作電壓是信號回路的峰值電壓的1.31.6倍。三、常用的防浪涌器件，1，氣體放電管笫 #頁共7頁笫 #頁共7頁圖1氣體放電管的原理圖符號氣體放電管是一種氣體開關(guān)型保護器件，當(dāng)兩極間電壓足夠大時，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,因此可以起到保護后級電路的效果。氣體放電管的主要指標(biāo)有：響應(yīng)時間、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、遮斷時間。氣體放電管的響應(yīng)時間可以達(dá)到數(shù)白ns以至數(shù)s,在保護器件中是最慢的。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等保護器件合用時應(yīng)使大部分的過電流通過氣體放電管泄放，因此氣體放電管一般用于防護電路的最前級，其后級的防護電路由壓敏電阻或TVS管組成，這兩種器件的響應(yīng)時間很快，對后級電路的保護效果更好。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。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。氣體放電管的續(xù)流遮斷是設(shè)計電路需要重點考慮的一個問題。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，如果兩

6、線間電壓超過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。2,壓敏電阻笫 #頁共7頁圖2壓敏電阻的原理圖符號壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護。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)時間等。壓敏電阻的響應(yīng)時間為ns級，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電壓保護其響應(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)量級范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號線路的保護中，應(yīng)用在交流電路的保護中時，因為其結(jié)電容較大會增加漏電流，在設(shè)計防護電路時需要充分考慮。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 #頁共7頁笫 #頁共7頁圖3TVS管原理圖符號笫 頁共7頁TVS(TransientoltageSuppression)是一種限壓保護器件，作用與圧墩電阻很類似。也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現(xiàn)對后級電路的保護。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)時間等。TVS的響應(yīng)時間可以達(dá)到ps級，是限壓型浪涌保護器件中

8、最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應(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，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。在高頻信號線路的保護中，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器中是最小的。四、網(wǎng)口防雷電路設(shè)計：1,室外走線網(wǎng)口防雷電路當(dāng)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4設(shè)計。RXS笫 #頁共7頁笫 頁共7頁圖4室外走線網(wǎng)口防護電路圖4給出的是室外走線網(wǎng)口防護電路的基本原理圖。共模防護通過氣體放電管實現(xiàn)，差模防護通過氣體放電管和TVS管組成的

9、二級防護電路實現(xiàn)。圖中G1和G2是三極氣體放電管，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2.2Q/2W電阻，使前后級防護電路能夠相互配合，讓能量優(yōu)先從氣體放電管泄放。后級防護用的TVS管，因為網(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，防護要求較低，因此防雷電路可以簡化設(shè)計，如圖5所示，圖5是室內(nèi)走線網(wǎng)口防護電路的基本原理圖。圖5室內(nèi)走線網(wǎng)口防護電路我們從共模防護的角度對圖4和圖5這兩種電路做一下比較，對比兩種防護設(shè)計思路。圖4的電路采用氣體放電管實現(xiàn)共模的防護，當(dāng)端口處有共模過電壓產(chǎn)生

10、時，通過擊穿氣體放電管轉(zhuǎn)化成過電流并泄放，從而達(dá)到保護的目的。而圖5中的網(wǎng)口防護電路只設(shè)計了差模的防護電路，沒有設(shè)計共模的防護電路，它在端口的共模防護上釆用就是我們前面說的隔離保護的思路，它利用網(wǎng)口變壓器的隔離特性實現(xiàn)端口的共模防護。當(dāng)端口處有過電壓產(chǎn)生時,這個過電壓會加到網(wǎng)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，過電圧會完全被隔離在初級側(cè)，從而對次級側(cè)基本不造成影響，達(dá)到端口保護的目的。從上述原理可以看出，圖5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(xiàn)，因此要嚴(yán)格注意器件的選型和PCB的設(shè)計，下面介紹PCB設(shè)

11、計注意事項。首先，在以太網(wǎng)口電路設(shè)計時應(yīng)樹立高壓線路和低壓線路分開的意識。其中變壓器接外線側(cè)的以太網(wǎng)差分信號線、Bob-Smith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(yīng)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(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)計過程中要注意以下兒點：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(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穿越高壓信號線和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，防止過電壓直接對控制芯片造成沖擊。以太網(wǎng)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。如果變壓器前級（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的單個電阻，不宜采用排阻。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(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。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。根據(jù)測試結(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時候的耐壓情況）：低壓、RJ45連接器管腳PCB走線過孔焊盤電阻電容PCB走線推斷2200V推斷2200V2200V（內(nèi)層）1200V（表層）推斷1200V過孔推斷2200V1000V1500V（建議按照750V設(shè)訃）750V電阻焊盤螺釘1000V推斷320V到750V之間推斷320V320V變壓器管腳1

14、250V表1絕緣耐壓測試結(jié)果注：上表中紅色數(shù)據(jù)為直接試驗得到，黑色數(shù)為據(jù)根據(jù)試驗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)計過程中建議按照該數(shù)值進行設(shè)計。從表中可以看出，對于相同的絕緣距離，耐壓能力為接地螺釘v電容、電阻焊盤v走線過孔v表層走線v內(nèi)層走線，因此當(dāng)共模防護指標(biāo)一定時，高壓部分與低壓部分的絕緣距離應(yīng)該為接地螺釘電容、電阻焊盤走線過孔表層走線內(nèi)層走線。這是因為螺釘整個為金屬體，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，同時由于形狀為長方體，有棱角，很容易形成尖端放電。過孔在網(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，相對上面兒種，耐壓能力就應(yīng)該高一點。在設(shè)計中，根據(jù)具體產(chǎn)品要求的抗浪涌等級，利用表1中的數(shù)據(jù)，就可以推算出PCB設(shè)計需要控制的各種絕緣距離。表2給出了在防護等級是41E的時候，PCB設(shè)計要達(dá)到的安全絕緣距離。低壓連接器管腳線過孔焊盤（電容.電阻）線201111120mil20mil3311111過孔20mil40mil5311111螺釘40mil120mil120niil表2PCB設(shè)計安全絕緣距離數(shù)據(jù)（按照4KV耐壓進行計算）綜上所述，釆用圖5的防護電路，通過良好的器件選型和PCB設(shè)計，可以實現(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)計電路：ForSurge（L-L）TX*TX-RXRX-MXAXOK-oT1MST-O041SMI笫 #頁共7頁圖6以太網(wǎng)口防宙設(shè)計電路笫 頁共7頁圖6電路將共模端接電阻75歐姆合并為一個（該電阻具體作用在網(wǎng)口輻射設(shè)計指導(dǎo)里面詳述），這樣做對防雷設(shè)計做到成本最優(yōu)化，只用一顆雙向放電管即可，這樣處理對網(wǎng)口的EMI有影響，可以降低該電阻值獲取好的EMI性能，具體分析見以太網(wǎng)口輻射

17、設(shè)計指導(dǎo)。將此端接電阻改為33歐姆，100M以下頻點最差余量可以達(dá)到4dB。總結(jié)：本文介紹了網(wǎng)口常用接口模型，以及雷電防護基本知識，常用防浪涌器件的介紹和對比,供以后不同設(shè)計方案的選型。對比了網(wǎng)口防雷設(shè)計的兩種思路，華為項目釆用的是第二種方案，使用變壓器的高隔離特性，此項目由于結(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，同時在TX.RX差分線間增加低極間電容的TVS管，增加對差模浪涌的防護能力，一是來自非理想變壓器導(dǎo)致的共模差模轉(zhuǎn)換，二是非理想對稱UTP網(wǎng)線導(dǎo)致的差模浪涌。具體的設(shè)計防護指標(biāo)可以根據(jù)防護或者隔離器件的等級來選用合適的方案。附錄A：雷電流波形雷電流是一個非

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。雷電流的波頭時間是指雷電流從零上升到峰值的時間，又稱為波前時間；波長時間是指從零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的時間，又稱為半峰值時間。由于在雷電流波的起始和峰值處常常疊加有振蕩，很難確定其真實零點和到達(dá)峰值的時間，因此，我們常用視在波頭時間乃和視在波長時間C來表示，一般記為T1/T2,如下圖所示。圖7雷電流波形示意圖在IEC標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)中規(guī)定的雷擊測試波形主要有：8/20us、10/350US（電流波）、10/700us以及1.2/50us（電壓波）等。附錄B：沖擊電流實驗方法通信設(shè)備的沖擊電流實驗主要為實驗雷擊時通信設(shè)備的一些電纜（電源線、信號線、天饋線）上由各種原因而產(chǎn)生的過電流對設(shè)備產(chǎn)生的危害。沖擊電流實驗的主要實驗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)時間短、峰值電流大、瞬間功率高的特點。原理上，可以將沖擊電流發(fā)生器看作是一個電流源。沖擊電流實驗的模擬脈沖波形需要盡量接近自然環(huán)境中雷擊時通信設(shè)備電纜上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電流的波形。因此沖擊電流測試一般采用國際上防雷學(xué)科給出的一些標(biāo)準(zhǔn)波形。根據(jù)國家、地區(qū)、研究機構(gòu)的不同，目前各國在沖擊電流測試中對脈沖波形的要求有