信号口浪涌防护电路设计.docx

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信号口浪涌防护电路设计

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），比如交流供电线、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采取雷击保护措施。

设计信号口防雷电路应注意以下几点：

1、防雷电路的输出残压值必须比被防护电路自身能够耐受的过电压峰值低，并有一定裕量。

2、防雷电路应有足够的冲击通流能力和响应速度。

3、信号防雷电路应满足相应接口信号传输速率及带宽的需求，且接口与被保护设备兼容。

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足通信系统的要求。

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，防护电路的动作电压是信号回路的峰值电压的1.3～1.6倍。

1.1网口防雷电路

网口的防雷可以采用两种思路：

一种思路是要给雷电电流以泄放通路，把高压在变压器之前泄放掉，尽可能减少对变压器影响，同时注意减少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保护。

下面的室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。

1.1.1室外走线网口防雷电路

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。

a

b

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保护和两线对地的共模保护效果。

中间的退耦选用2.2Ω/2W电阻，使前后级防护电路能够相互配合，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2.2Ω。

后级防护用的TVS管，因为网口传输速率高，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，这里推荐的器件型号为SLVU2.8-4。

图1b就是采用上述器件网口部分的详细原理图。

三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地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0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。

电路设计需要注意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。

若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。

退耦电阻到变压器的PCB走线建议采用15mil线宽。

该防雷电路的插入损耗小于0.3dB，对100M以太网口的传输信号质量影响比较小。

1.1.2室内走线网口防雷电路

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时网口部分的详细原理图。

a

b

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衡双绞线，感应的雷电过电压以共模为主，如果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）的防护能力，但是当产品目标包括北美市场时，差模防护器件推荐选用LC03-3.3，它可以满足NEBS认证的需求。

我们从共模防护的角度对图1和图2这两种电路做一下比较。

图1的电路采用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，从而达到保护的目的。

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用就是我们前面说的隔离保护的思路，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，由于变压器有一定的隔离特性，只要过电压不超过变压器初级与次级的耐压能力而被击穿，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，达到端口保护的目的。

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PCB走线以及变压器的绝缘耐压实现，因此要严格注意器件的选型和PCB的设计。

首先，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，容易引入外界的过电压（如雷电感应等），是属于高压信号线。

而指示灯控制线、电源、GND是由系统内提供，属于低压线路。

根据网口连接器不同，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围，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设计过程中要注意以下几点：

1、为了保证共模隔离耐压的承受能力，变压器需要满足初级和次级之间的交流绝缘耐压不小于AC1500V的指标。

2、优先选择不带灯的RJ45，要引灯的话，建议采用导光柱技术在芯片侧将指示灯的光线引到面板上，避免指示灯控制信号穿越高压信号线和Bob-Smitch电路所在的区域。

3、指示灯控制电路的限流电阻应放在控制芯片侧，位置靠近控制芯片，防止过电压直接对控制芯片造成冲击。

4、以太网信号线按照差分线走线规则，保证阻抗匹配，并且一对差分线的长度尽量一样长。

5、如果变压器前级（靠RJ45接头侧）有中间抽头并且采用Bob-Smith电路，即75Ω电阻加一个1000pF的接PGND的电容。

建议电容选取耐压大于DC2000V，电阻功率建议选择1/10W的单个电阻，不宜采用排阻。

6、一个以太网接口采用一个Bob-Smith电路，避免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（指示灯控制线）、电源线、地线之间应该保证足够的绝缘，不存在意外的放电途径。

最后，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，耐压能力依次为接地螺钉<电容、电阻焊盘<走线过孔<表层走线<内层走线，因此当共模防护指标一定时，高压部分与低压部分的绝缘距离应该为接地螺钉>电容、电阻焊盘>走线过孔>表层走线>内层走线。

这是因为螺钉整个为金属体，暴露面积比较大，容易成为放电通路。

电容和电阻焊接两端表面为金属，同时由于形状为长方体，有棱角，很容易形成尖端放电。

过孔在网口部分有很多，表面是亮锡的，也容易产生击穿放电，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，耐压能力就应该高一点。

在设计中，根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设计需要控制的各种绝缘距离。

表7-1给出了在浪涌防护等级是4kV的时候，PCB设计要达到的安全绝缘距离。

高压

低压

连接器

管脚

线

过孔

焊盘（电容、电阻）

线

20mil

20mil

20mil

33mil

过孔

――――

20mil

40mil

53mil

螺钉

――――

40mil

120mil

120mil

表1PCB设计安全绝缘距离数据（按照4KV耐冲击进行计算）

综上所述，采用图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）的防护能力。

它可以应用于绝大多数室内走线的情况，特别是对于接入和终端设备，在实际使用中以太网线不采用屏蔽电缆，而且安装使用长度大于50米，在网口的防护电路设计过程中宜对以上问题加以重视。

对于网口的防护，除了采用以上的图1和图2中的两种电路外，还有利用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用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、PCB占用空间小。

SFU&HGU网口共模保护

变压器隔离高压电容SMITH电路走线20mil宽

MDU网口共模保护

线路侧中心抽头对保护地加压敏电阻或放电管

线路侧网线加三端子放电管

网口差模保护

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）防护能力；用户端口应提供1.5KV（差模和

共模）防护能力。

SFU/HGU设备的电源端口应具备4KV（差模和共模）防护能力；用户接口应具备0.5KV

（差模和共模）防护能力。

对差模浪涌，不外加保护就依赖于网络接口器件本身的固有防护能力   不同的PHY芯片或SWITCH芯片本身固有的防护能力不同，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,不加差模保护的TVS，可以通过1000V、42欧姆、1.2/50波形浪涌测试

RTL8114，则必须加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500V ，   要过1000V需要加TVS：

BV03CW

SD5115H,不加TVS只靠自己的内在保护不能达到500V差模防护,必须加BV03C才能过500V，要过1000V，必须加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；现已统一采用BV03CW

BV03CL是350W的，与150W的BV03C和BV03CW封装一样,但还没有料号。

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，同时对地还是分别对地测试共模，对普通网口没有差异，对POE有差异，POE防护设计时需要注意这一点。

灯线隔离问题

带灯的RJ45，灯线走线远离放电管或压敏电阻，远离网线；先保护后滤波

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有配线架一级保护

对于局端设备，一般前面有配线架的一级保护，使用时向线路输出馈电和铃流信号，选用保护器件的动作电压要考虑馈电和铃流有效值的叠加，同时要满足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有一级保护的模拟用户口防护电路

PTC采用55Ω的值，放在电路前面用于过流保护。

RV是击穿电压为220V的压敏电阻，进行共模保护，压敏电阻要有一定的通流能力，一般选直径为Φ7的器件，能抵抗电力线碰触时的短时过电流（PTC动作之前）。

VD用于对音频接口的保护，采用TSS管Tisp61089DR，该芯片为击穿电压可控制TSS管，一般采用馈电电压来作为TSS管的触发参考电平。

该防护电路可以满足ITU-TK.20标准的测试指标要求。

1.2.1.2无配线架一级保护

对于远端小型网络设备或终端设备，通常情况前面没有配线架的一级保护，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，同时也要满足电力线碰触的测试要求，防护电路可以按照图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。

图4无一级保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能力不高，因此此时不能将PTC放在电路的最前面。

电路的前级G1可以采用通流能力10kA（8/20us），击穿电压较高的三极气体放电管，也可采用三只直流击穿电压为360V的压敏电阻S14K230进行差模和共模保护。

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，过压保护器件不应动作，同时也应考虑保护器件的离散性，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％。

采用放电管的优点是占用PCB板面积小，缺点是残压大，而采用压敏电阻正好相反。

PTC采用55Ω的值。

VD用于对音频接口的保护，采用TSS管Tisp61089DR，该芯片为击穿电压可控制TSS管，一般采用馈电电压作为TSS管的触发电平。

该电路可以满足YD5098-2001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无一级保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）

对于设备有保护接地端子，需要考虑差模、共模的防护；若设备是不导电的塑料外壳，没有保护接地端子，共模的绝缘耐压很高，此时只需考虑差模保护。

电路的前级G1可以采用通流能力10kA（8/20us），击穿电压较高的三极气体放电管，也可采用三只击穿电压为360V的压敏电阻S14K230进行差模和共模保护。

采用放电管的优点是占用PCB板面积小，缺点是差模残压大，而采用压敏电阻正好相反。

PTC采用10Ω的值。

后级RV采用击穿电压为82V的压敏电阻，进行差模保护（铃流检测电路和信号电路是通过摘挂机开关分开的，铃流不会影响后级保护器件动作），该位置的保护器件也可以采用TSS管。

该电路可以满足YD5098-2001标准的3KA（8/20us）冲击电流要求，同时也能达到ITU-TK.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有配线架一级保护

对于局端设备，一般前面有配线架的一级保护，使用时向线路输出远供电压，选用保护器件的动作电压要考虑远供的电压要求，同时要满足电力线碰触试验的要求，此时接口的保护可以采用图6所示的电路。

a

b

图6有一级保护的数字用户口防护电路

PTC放在电路前面用于过流保护。

耦合器之前采用TSS管TPI1201IN，该芯片集成了三个TSS管，具有差模和共模的保护功能。

耦合器之后接口芯片之前采用TVS稳压二极管（如PSOT05C）进行保护（图a），也可以采用上下拉开关二极管来进行保护（图b）。

该电路可以满足ITU-TK.20标准的测试指标要求。

1.2.2.2无配线架一级保护

对于远端小型网络设备或终端设备，通常情况前面没有配线架的一级保护，使用时接受局端发送过来的远供，此时防雷量级要大，同时也要满足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。

图7无一级保护的数字用户口防护电路

对于设备有保护接地端子，需要考虑差模、共模的防护；若设备是不导电的塑料外壳，没有保护接地端子，共模的绝缘耐压很高，此时只需考虑差模保护。

耦合器之前的前级电路的前级G1可以采用通流能力10kA（8/20us），击穿电压较高的三极气体放电管，也可采用三只击穿电压为360V的压敏电阻S14K230进行差模和共模保护。

采用放电管的优点是占用PCB板面积小，缺点是差模残压大，而采用压敏电阻正好相反。

后级采用TSS管TPI1201IN，该芯片集成了三个TSS管，具有差模和共模的保护功能，耦合器之后采用TVS管（如PSOT05C）进行保护，也可以采用上下拉开关二极管来进行保护。

该电路可以满足YD5098-2001标准的3KA（8/20us）冲击电流要求。

1.2.3ADSL口防雷电路

1.2.3.1有配线架一级保护

对于局端设备，一般前面有配线架（MDF）的一级保护，与模拟用户口（POTS）共同使用一对平衡双绞线，选用保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，同时要满足电力线碰触试验的要求，此时接口的保护可以采用图8所示的电路。

图8有一级保护的ADSL口防护电路

PTC采用0.8～2Ω的值，主要是考虑降低PTC的阻值对ADSL信号的衰减。

耦合器之前采用三只TSS管TISP4350H3BJR，进行差模和共模保护。

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保护器件，当然也可以采用上下拉开关二极管进行保护。

该电路可以满足ITU-TK.20标准的测试指标要求。

1.2.3.2无配线架一级保护

对于远端小型网络设备或终端设备，通常情况前面没有配线架的一级保护，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，同时也要满足电力线碰触的测试要求。

接口防护电路应可参照图9进行设计。

图9无一级保护的ADSL口防护电路

对于设备有保护接地端子，需要考虑差模、共模的防护；若设备是不导电的塑料外壳，没有保护接地端子，共模的绝缘耐压很高，此时只需考虑差模保护。

最前级电路的前级G1可以采用通流能力10kA（8/20us），击穿电压较高的三极气体放电管，不能采用压敏电阻，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采用0.8～2Ω的值。

耦合器之前采用三只TSS管TISP4350H3BJR，进行差模和共模保护。

后级接口芯片可以采用上下拉开关二极管进行保护。

该电路可以满足YD5098-2001标准的3KA（8/20us）冲击电流要求。

1.2.4VDSL口防雷电路

1.2.4.1有配线架一级保护

对于局端设备，一般前面有配线架（MDF）的一级保护，与模拟用户口（POTS）共同使用一对平衡双绞线，选用保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，同时要满足电力线碰触试验的要求。

接口防护电路应按照图10进行设计。

图10有一级保护的VDSL口防护电路

耦合器之前采用两只TSS管TISP4350H3BJR进行共模保护。

由于采用的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足差模过电压不会造成设备损坏，因此在耦合器前级没有加上差模保护的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用通流量相对小、结电容相对小的TVS管SM16LC05C-T进行差模保护，当然也可以采用上下拉开关二极管进行保护。

PTC采用0.8～2Ω的值，主要是考虑降低PTC的阻值对VDSL信号的衰减。

该电路可以满足ITU-TK.20标准的测试指标要求。

1.2.4.2无配线架一级保护

对于远端小型网络设备或终端设备，通常情况前面没有配线架的一级保护，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，同时也要满足电力线碰触的测试要求。

接口防护电路应按照图11进行设计。

图11无一级保护的VDSL口防护电路

对于设备有保护接地端子，需要考虑差模、共模的防护；若设备是不导电的塑料外壳，没有保护接地端子，共模的绝缘耐压很高，此时只需考虑差模保护。

最前级G1可以采用通流能力10kA（8/20us），击穿电压较高的三极气体放电管，不能采用压敏电阻，这主要是压敏电阻的结电容比较大，会影响VDSL的信号质量。

耦合器之前采用两只TSS管TISP4350H3BJR，进行共模保护。

耦合器之后接口芯片之前采用TVS管PSOT05LC或SM16LC05C-T进行差模保护，也可以采用上下拉开关二极管进行保护。

PTC采用0.8～2Ω的值。

该电路可以满足YD5098-2001标准的3KA（8/20us）冲击电流要求。

1.2.5G.SHDSL口防雷电路

1.2.5.1有配线架一级保护

对于局端设备，一般前面有配线架（MDF）的一级保护，使用时向线路输出远供电压，选用保护器件的动作电压要考虑远供电压要求，同时要满足电力线碰触试验的要求。

此时接口的保护可以采用图12所示的电路。

图12有一级保护的G.SHDSL口防护电路

耦合器之前采用三只TSS管SMP100LC-160，进行差模和共模的保护。

耦合器之后接口芯片之前采用TVS管PSOT05C进行保护，也可以采用上下拉二极管来进行保护。

PTC采用10Ω的值，放在电路前面用于过流保护。

该电路可以满足ITU-TK.20标准的测试指标要求。

1.2.5.2无配线架一级保护

对于远端小型网络设备或终端设备，通常情况前面没有配线架的一级保护，使用时接受局端发送过来的远供，此时防雷量级要大，同时也要满足电力线碰触的测试要求。

接口防护电路应可参照图7-27进行设计。

图13无一级保护的G.SHDSL口防护电路

对于设备有保护接地端子，需要考虑差模、共模的防护；若设备是不导电的塑料外壳，没有保护接地端子，共模的绝缘耐压很高，此时只需考虑差模保护。

最前级G1可以采用通流能力10kA（8/20us），击穿电压较高的三极气体放电管，不能采用压敏电阻，这主要是压敏电阻的结电容比较大，会影响G.SHDSL的信号质量。

耦合器之前采用三只TSS管SMP100LC-160，进行差模和共模的保护。

耦合器之后采用TVS管PSOT05C进行保护，也可以采用上下拉二极管来进行保护。

PTC采用10Ω的值。

该电路可以满足YD5098-2001标准的3KA（8/20us）冲击电流要求。