CN101488666B - 一种网口防雷电路及其rj45网络接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种网口防雷电路，包括端接在网线连接头和网络隔离变压器之间线路上的第一级和端接在所述网络隔离变压器和网络芯片之间线路上的第二级，所述第一级，包括端接在所述初级线圈的双向瞬态限压器件；所述第二级，包括端接在所述次级线圈的限流自恢复保险丝和稳压IC。本发明所述网口防雷电路在百兆网和千兆网，都分别只需要使用4个双向瞬态稳压器件TVS管，根本区别于其他网口防雷方案百兆网需要4个双向瞬态稳压器件TVS管，千兆网则需要两倍于百兆网TVS管数量，也就是8个，本发明不需要使用体积较大的气体放电管，可以在通用的印刷电路板上实施，并且还可以集成到标准网络连接头RJ45里面，成本低廉，有利于大批量应用。

Description

一种网口防雷电路及其RJ45网络接口装置 

技术领域

本发明涉及防雷技术，特别涉及一种用于网络数据传输的网口防雷电路及其RJ45网络接口装置。 

背景技术

工业控制设备、室外计费设备、监测设备、控制设备、军用设备等都需要通过网络传输数据来实现远程监测、控制、计费等，那就不可避免的需要使用网络模块电路，该电路可以设置在主机板上，也可以设置在可以插拔的网口上。但由于这些设备使用环境很复杂，特别是处在室外环境中的时候，就不可避免的碰到自然环境中的雷电现象，例如：高速公路收费站、电力、铁路等的监控、控制台经常面临雷击耦合的危险。 

为了保护网络传输数据需用到的网络模块电路，需要增加一些防雷电路来保护，现有的防雷方案的处理策略有： 

(1)，在网口外加信号防雷器，以提高设备的防雷性能。 

但是，目前市场上现有的外加防雷器有很多不利因素，例如：需要重新设计或改动设备和防雷线的地连接线，只能使用机壳体外的地线固定方式(锁螺丝等)，既不方便也不可靠，并且需要专业的人员安装才行，另外外接的防雷器会造成网络传输线路较大阻抗的突变，影响高速传输时的信号完整性，降低网络信号传输质量，甚至出现问题时，用户可能无法做任何的改善动作，只能将防雷器拆除。 

(2)，将防雷电路方案施加在印刷电路板(PCB)上。 

目前已经在普遍使用的网络防雷电路，基本上需要的器件非常多，并且为了保证防雷效果和网络传输性能，通常需要使用气体放电管、TVS管、二极 管、电阻等器件，而且使用的器件数量多、体积大，需要占用大比例的板卡空间，成本相当昂贵，更重要的是这种防雷电路由于使用的器件数量相当多，使用的防雷器件体积相当大，在很多场合根本无法设计在主板上或网卡上，这种防雷电路方案的代表例子具体可参考中国专利号为：200620015972.9(该实用新型名称：监控采集设备网口防雷电路)，具体电路如下： 

举例1：如图1所示，该防雷电路是一种典型的百兆网口防雷方案，接于网口插座和网络变压器之间，其使用了2个气体放电管、8个二极管、4个TVS管及8个限流电阻，一共使用了22个器件，如果是千兆网则需要使用两倍的器件，即44个器件。而且气体放电管体积是非常大的，需要占用板块较大的面积空间，如果板块有多个网络口，那该防雷电路需要占用的板块面积就更加无法满足，而且该方案对网络插入损耗非常高，在千兆网上使用这种电路，特别是TVS管、二极管这些器件直接施加在网络信号线上，会造成千兆网性能的极大衰减，影响网络传输性能。 

举例2：如图2所示，该防雷电路也是一种典型的百兆网口防雷方案，也是接于网口插座和网络变压器之间，其使用了4个气体放电管、8个二极管、2个双向TVS管及8个限流电阻，一共使用了22个器件，如果是千兆网则需要使用两倍的器件，即44个器件。同样，由于使用的气体放电管体积很大，需要占用板块较大的面积空间，如果板块有多个网络口，那该防雷电路需要占用的板块面积就更加无法满足，而且该方案对网络插入损耗非常高，在千兆网上使用这种电路，特别是TVS管、二极管这些器件直接施加在网络信号线上，每根网络信号线上串接的两个电阻会造成千兆网性能的极大衰减，影响网络传输性能。 

举例3：如图3所示，这种典型的百兆网口防雷方案，也是接于网口插座和网络变压器之间，其使用了4个气体放电管，8个限流电阻，一个专用防雷IC，一共使用了13个器件，如果是千兆网则需要使用两倍的器件，即23个器件。同样，由于使用的气体放电管体积很大，需要占用板块较大的面积空间，如果板块有多个网络口，那该防雷电路需要占用的板块面积就更加无法满足，而且该方案对网络插入损耗非常高，在千兆网上使用这种电路时，特别是瞬态稳压器件(TVS管)直接施加在网络信号传输线上，TVS管的节电容非常大，以及每根网络信号线上串接的两个电阻和专业防雷IC都会造成在千兆网时性能极大的衰减，影响网络传输性能，而且专业防雷IC价格昂贵，导致防雷方案成本过高。 

综上所述，现有的防雷方案，成本都相当的昂贵，而且由于防雷电路使用的器件数量较多，使用的防雷器件体积较大，在很多场合根本无法设计在主板上或网卡上，需要采用在机箱内部独立设计防雷电路，或者通过在机箱外部使用外加防雷其的方法，但是这种办法成本也很高昂，体积也很大，装配及使用不可靠也不方便，而且网络信号插入损耗过大会影响网络传输质量，现有的防雷方案因使用器件多，体积大，根本无法集成到市场上现有规格的网络连接头RJ45里面。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种既提高设备防雷效果，防止网络设备因雷击损坏，又减少插入损耗，成本低廉，可以保证网络传输性能且可以集成到网络连接头(RJ45)里面的网口防雷电路及其RJ45网络接口装置。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种网口防雷电路，包括端接在网线连接头和网络隔离变压器之间线路上的第一级电路和端接在所述网络隔离变压器和网络芯片之间线路上的第二级电路，所述隔离变压器与所述网络连接头之间的变压器线圈定义为初级线圈，所述隔离变压器与所述网络芯片之间的变压器线圈定义为次级线圈； 

所述第一级电路，包括端接在所述初级线圈中间抽头和机箱地之间的双向瞬态限压器件； 

所述第二级电路，包括端接在所述次级线圈的限流自恢复保险丝和稳压IC。 

作为本发明的一个改进，当为百兆网时，所述第一级电路包括四个双向瞬态限压器件； 

在所述网络隔离变压器初级线圈中两对网络传输信号线的初级线圈中间 抽头与所述机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件； 

在所述网络连接头中千兆网才使用，百兆网未使用的另外两对网络传输信号线与所述机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件。 

作为本发明的一个改进，当为千兆网时，所述第一级电路与百兆网同样都是包括四个双向瞬态限压器件； 

在所述网络隔离变压器初级线圈中四对网络传输信号线的初级线圈中间抽头与所述机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件，每对网络传输线对应一个中间抽头。 

具体的，当为百兆网时，所述第二级电路包括四个限流自恢复保险丝和一个稳压IC， 

在所述网络隔离变压器次级线圈的两根发送信号线分别串接一个限流自恢复保险丝； 

在所述网络隔离变压器次级线圈的两根接收信号线上分别串接一个限流自恢复保险丝； 

在所述网络隔离变压器次级线圈的两根发送信号线、两根接收信号线与所述网络芯片信号地之间连接一个稳压IC。 

所述网络连接头中百兆网时另外两对网络传输信号线(千兆网才使用，百兆网未使用)是分别端接在一起，通过75欧姆电阻及电容连接到所述机箱地，所述另外两对连接在一起的网络传输信号线分别连接一个双向瞬态电压稳压管到所述机箱地。 

具体的，当为千兆网时，所述第二级电路包括八个限流自恢复保险丝和两个稳压IC， 

在所述网络隔离变压器次级线圈中的四对网络传输信号线上分别串接一个限流自恢复保险丝； 

在所述四对网络传输信号线与网络芯片之间的每两对网络传输信号线与所述网络芯片信号地之间分别连接一个稳压IC。 

作为本发明的一种实施方式，所述网络连接头为RJ45网络连接头，所述双向瞬态限压器件的型号为TVS SMBJ6.0CA或TVS SMAJ6.0CA，所述限流 自恢复保险丝的型号为SMD0805P010或SMD0603P010，所述稳压IC的型号为CM1213。 

本发明还同时公开了一种RJ45网络接口装置，包括本发明所述的一种网口防雷电路。 

本发明中，所述网口防雷电路中千兆网才使用，百兆网不使用的网络传输信号线是分别端接在一起，通过75欧姆电阻及电容连接到所述机箱地，该电容采用10V或10V以上的普通耐压电容，不需使用通常的2KV高耐压电容。 

通过采用本发明技术方案，本发明所述的网口防雷电路能够防止网络设备因雷击损坏，又有效减少插入损耗，所使用的器件封装小，数量少，器件占用空间面积小，可以在通用的印刷电路板上实施，并且还可以集成到标准网络连接头RJ45里面，成本低廉，有利于大批量应用。 

附图说明

图1是现有技术一种典型的百兆网口防雷电路图； 

图2是现有技术另一种典型的百兆网口防雷电路图； 

图3是现有技术再一种典型的百兆网口防雷电路图； 

图4是本发明一种百兆网口防雷电路图； 

图5是本发明一种千兆网口防雷电路图。 

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。 

如图4、图5所示，一种网口防雷电路，包括端接在网线连接头和网络隔离变压器之间线路上的第一级电路和端接在所述网络隔离变压器和网络芯片之间线路上的第二级电路，所述隔离变压器与所述网络连接头之间的变压器线圈定义为初级线圈，所述隔离变压器与所述网络芯片之间的变压器线圈定义为次级线圈，所述第一级电路，包括端接在所述初级线圈中间抽头和机箱地之间的双向瞬态限压器件；所述第二级电路，包括端接在所述次级线圈的限流自恢 复保险丝和稳压IC。 

在本发明一个优选实施例中，当为百兆网络时，第一级电路包括四个双向瞬态限压器件；在网络隔离变压器中两对网络传输信号线的初级线圈中间抽头与机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件；在网络连接头中千兆网才使用，百兆网未使用的另外两对网络传输信号线与所述机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件(注意：这另外两对网络传输信号线是分别端接在一起，通过75欧姆电阻及电容连接到机箱地，该另外两对连接在一起的网络传输信号线分别连接一个双向瞬态电压稳压管到机箱地，该电容采用10V或10V以上的普通耐压电容，不需使用2KV耐压的高压电容)。 

需要说明的是，本发明所述的第一级电路的防雷电路不直接施加在需要传输数据的网络发送和接收信号线上，而是连接在与数据传输相关的信号线上(即接在图4中网络隔离变压器中的CMT、RXC中间抽头引脚)。这样，双向瞬态限压器件(或称为“高耐压瞬态稳压管”，其型号可采用TVS SMBJ6.0CA或TVS SMAJ6.0CA的稳压管或其他相同特性的稳压管)的高容值不会对传输的网络数据造成衰减，避免了常规网络口防雷电路为减低保护器件寄生电容而增加的电路；同时对百兆网络中未使用的网络传输信号线(该网络传输信号线在千兆网络才使用的)进行保护，可以防止外部雷电浪涌电路通过这未使用的信号线对电路板产生冲击，造成破坏。 

当为百兆网络时，如图4所示，第二级电路包括四个限流自恢复保险丝和一个稳压IC，在网络隔离变压器次级线圈的两根发送信号线分别串接一个限流自恢复保险丝；在网络隔离变压器次级线圈的两根接收信号线上分别串接一个限流自恢复保险丝；在网络隔离变压器次级线圈的两根发送信号线、两根接收信号线与网络芯片信号地之间连接一个稳压IC。 

优选地，本发明所述网络连接头为标准RJ45网络连接头，所述限流自恢复保险丝可采用型号为SMD0805P010或SMD0603P010的限流自恢复保险丝，稳压IC可采用型号为CM1213的稳压IC。 

由图4可知，本发明不像以往网口防雷方案光从网络传输信号线(数据线)上来进行抑制浪涌雷击冲击，而是在本发明第一级电路的防雷电路中充分利用 了网络隔离变压器本身对外来雷击浪涌电流的衰减作用，即利用了网络隔离变压器本身的变压器耦合传输特性，通过第一级方案电路(施加在初级线圈中间抽头上的TVS SMBJ6.0CA，或者TVS SMAJ6.0CA，)来限制初级线圈上的浪涌雷击冲击来减低耦合到变压器次级线圈的脉冲电流能量，从而可以实现减低耦合到变压器次级电路上的压降，抛弃现有技术中单单将防雷电路设计在网络连接头和网络隔离变压器之间的做法，而是将具有限流作用的保护电路设计在网络隔离变压器与网络芯片之间，减轻了专门限流器件所需要承受的压力，也就是可以选择耐受和限定瞬态电流较小的自恢复保险丝，从而可以选择较小封装器件(如型号为SMD0805P010或SMD0603P010的表面贴片器件)，可以节省空间，降低成本。 

并且由于使用了SMD0805或SMD0603封装的自恢复保险丝SMD0805P010进行限流，而不使用电阻，既可以减低限流器件电阻过大对网络传输信号的衰减，同时小的封装可以保证防雷电路顺利施加在印刷电路板上。 

此外，本发明第二级电路的防雷电路充分利用了网络隔离变压器本身对外来雷击浪涌电流的衰减作用，抛弃现有技术中将第二级低电压稳压电路设计在网络连接头和网络隔离变压器之间的做法，而是将第二级低电压稳压保护电路设计在网络隔离变压器与网络芯片之间，减轻了稳压器所需要承受的压力，也就是说可以选择较小封装器件(如封装是SOT_23_61，型号为CMD1213的稳压IC，其大小跟型号为0805的电阻差不多)，这种器件寄生电容可以很小，而不再使用瞬态稳压器件TVS，也不需使用专业的防雷IC(专业的防雷IC体积大、价格贵)就可以保证足够的保护效果，而且还可避免对网络传输信号衰减过大，同时也可以节省电路板空间，有利于防雷方案电路的实际实施，并且该器件已经被非常广泛地用于批量产品中，可以降低成本。 

当为千兆网络时，如图5所示，第一级防雷电路与百兆网络的第一级防雷电路是一样的，也是使用同样的四个双向瞬态限压器件。千兆网络的网络传输信号线共有四对，这四对网络传输信号线都已经使用，并且这四对网络传输信号线在网络隔离变压器上分别对应一个隔离变压器线圈中间抽头(也就是说在 隔离变压器初级线圈中有4个中间抽头)，在这四个中间抽头与机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件。 

千兆网的第二级防雷电路跟图4中百兆网的第二级防雷电路的原理是一样的，只是因为增加了两对网络传输信号线，则需要增加四个限流自恢复保险丝和一个稳压IC，即千兆网的第二级的防雷电路包括八个限流自恢复保险丝和两个稳压IC，即在网络隔离变压器次级线圈中的四对(八根)网络传输信号线上分别串接一个限流自恢复保险丝，在该四对网络传输信号线中的每两对(四根)网络传输信号线与所述网络芯片信号地之间分别连接一个稳压IC。 

综上所述，本发明所述的网口防雷电路的防雷效果能满足IEC-61000-4-5标准要求的防雷等级，并且本发明所述防雷电路，端接在初级线圈四个中间抽头的TVS管，可以保证网络电路中2KV耐压的电容(通常是1000PF/2KV)可以只需使用普通耐压电容(只需10V以上)，从而可以缩小该电容的体积及降低成本。由于本发明所述的防雷电路所占空间、面积小可以设计在电脑主板或网卡的印刷电路板上，还可以集成到标准网络连接头RJ45里面。 

为了更好地说明本发明具有上述有益效果，下面通过具体的实验测试数据进行详细说明。 

百兆网络防雷电路工作原理及测试验证结果如下： 

常规的网口电路在正常工作时，如果有较大的雷击浪涌电流耦合到与主板或网卡RJ45连接的网线上时，我们通过标准的试验来模拟，我们使用专业雷击浪涌雷击发生器进行模拟，测试标准遵循IEC61000-4-5，对百兆网络信号线施加雷击浪涌电压，为模拟实际雷击浪涌可能在网络信号线上产生的有效端电压，我们按照下表14种差模连接方式，9种共模方式来连接来施加端电压，如下表所示： 

当浪涌雷击电流被耦合到户外的网络信号线上时，会沿着网线从网线连接头RJ45传输到板卡上的电路上，此浪涌雷击能量需要通过网络直流隔离变压器的变压器工作特性耦合传输到变压器次级的网口芯片电路里面和板卡其他电路里面，才能对网口电路和其他板卡电路形成冲击，我们在网络直流隔离变压器初级线圈的的中间抽头上分别连接一个双向瞬态电压稳定管(TVS)到机箱地，从而达到减低网络直流隔离变压器初级线圈上的瞬态电流，从而降低网络直流隔离变压器的耦合效率，在这种设计下，耦合到次级线圈上的瞬态电流已经足够小，小到我们可以使用普通的小体积(SMD0805)，小阻抗的限流自恢复保险丝CMD0805P010，小到我们可以使用最普通的体积非常小的稳压齐纳二极管CMl213(大小跟0805电阻差不多)，我们把自恢复保险丝及稳压齐纳二极管施加在变压器次级端时，就可以把通过变压器耦合过来的瞬态电流抑制到足够的小，再通过稳压齐纳二极管可以控制变压器耦合过来的瞬态电流在网络信号线对地上产生的压降足够小，小到可以满足我们普通的网卡芯片的防护等级。 

运用专业实验室测试仪器进行模拟测试， 

测试场地：深圳国家级实验室：华通威。 

雷击信号仿真器：瑞士EM TEST：1 VCS 500 M6T  (6,6kV/3.3kA-- 1.2/50u-8/20u with additional 10/700pulse；) 

结果如下表格： 

千兆网防雷电路工作原理说明： 

常规的网口电路在正常工作时，如果有较大的雷击浪涌电流耦合到与主板或网卡RJ45连接的网线上时，我们通过标准的试验来模拟，我们使用专业雷击浪涌雷击发生器进行模拟，测试标准遵循IEC61000-4-5，对千兆网络信号线施加雷击浪涌电压，为模拟实际雷击浪涌可能在网络信号线上产生的有效端电压，我们按照下表29种差模方式，11种共模方式来连接来施加端电压，如下表： 

当浪涌雷击电流被耦合到户外的网络信号线上时，会沿着网线从网线连接头RJ45传输到板块上的电路上，此浪涌雷击能量需要通过网络直流隔离变压器的变压器工作特性耦合传输到网口芯片电路里面和板卡其他电路里面，才能对网口电路和其他板卡电路形成冲击，我们在网络直流隔离变压器初级线圈的的中间抽头上分别连接一个双向瞬态电压稳定管(TVS)到机箱地，从而达到减低网络直流隔离变压器初级线圈上的瞬态电流，从而降低网络直流隔离变压器的耦合效率，在这种设计下，耦合到次级线圈上的瞬态电流已经足够小，小到我们可以使用普通的小体积(SMD0805)，小阻抗的限流自恢复保险丝，小到我们可以使用最普通的稳压齐纳二极管，为了缩小体积我们选用集成的稳压齐纳二极管IC(CM1213)，我们把自恢复保险丝及稳压齐纳二极管施加在变压器次级端时，就可以把通过变压器耦合过来的瞬态电流抑制到足够的小，在通过稳压齐纳二极管可以把变压器耦合过来的瞬态电流在网络信号线对地上产生的压降足够小，小到可以满足我们普通的网卡芯片的防护等级。 

运用专业实验室测试仪器进行模拟测试， 

测试场地：深圳国家级实验室：华通威。 

雷击信号仿真器：瑞士EM TEST：1 VCS 500 M6T(6，6kV/3.3kA--1.2/50u-8/20u with additional 10/700pulse；) 

结果如下表格： 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。 

Claims (9)

1.一种网口防雷电路，其特征在于，包括端接在网络连接头和网络隔离变压器之间线路上的第一级电路和端接在所述网络隔离变压器和网络芯片之间线路上的第二级电路，所述隔离变压器与所述网络连接头之间的变压器线圈定义为初级线圈，所述隔离变压器与所述网络芯片之间的变压器线圈定义为次级线圈；

所述第一级电路，包括端接在所述初级线圈中间抽头和机箱地之间的双向瞬态限压器件；

所述第二级电路，包括端接在所述次级线圈的限流自恢复保险丝和稳压IC。

2.根据权利要求1所述的一种网口防雷电路，其特征在于，当为百兆网时，所述第一级电路包括四个双向瞬态限压器件；

在所述网络隔离变压器初级线圈中两对网络传输信号线的初级线圈中间抽头与所述机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件；

在所述网络连接头中千兆网才使用，百兆网未使用的另外两对网络传输信号线与所述机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件。

3.根据权利要求1所述的一种网口防雷电路，其特征在于，当为千兆网时，所述第一级电路与百兆网同样都是包括四个双向瞬态限压器件；

在所述网络隔离变压器初级线圈中四对网络传输信号线的初级线圈中间抽头与所述机箱地之间分别串接一个双向瞬态限压器件，每对网络传输线对应一个中间抽头。

4.根据权利要求2所述的一种网口防雷电路，其特征在于，所述第二级电路包括四个限流自恢复保险丝和一个稳压IC，

在所述网络隔离变压器次级线圈的两根发送信号线分别串接一个限流自恢复保险丝；

在所述网络隔离变压器次级线圈的两根接收信号线上分别串接一个限流自恢复保险丝；

在所述网络隔离变压器次级线圈的两根发送信号线、两根接收信号线与所 述网络芯片信号地之间连接一个稳压IC。

5.根据权利要求3所述的一种网口防雷电路，其特征在于，所述第二级电路包括八个限流自恢复保险丝和两个稳压IC，

在所述网络隔离变压器次级线圈中的四对网络传输信号线上分别串接一个限流自恢复保险丝；

在所述四对网络传输信号线与网络芯片之间的每两对网络传输信号线与所述网络芯片信号地之间分别连接一个稳压IC。

6.根据权利要求2所述的一种网口防雷电路，其特征在于，所述网络连接头中另外两对千兆网才使用，百兆网不使用的网络传输信号线是分别端接在一起，通过75欧姆电阻及电容连接到所述机箱地，所述这另外两对千兆网才使用，百兆网不使用的连接在一起的网络传输信号线分别连接一个双向瞬态电压稳压管到所述机箱地。

7.根据权利要求1所述的一种网口防雷电路，其特征在于，所述网络连接头为RJ45网络连接头，所述双向瞬态限压器件的型号为TVS SMBJ6.0CA，或SMAJ6.0CA，所述限流自恢复保险丝的型号为SMD0805P010或SMD0603P010，所述稳压IC的型号为CM1213。

8.一种RJ45网络接口装置，其特征在于，包括上述权利要求1-7任一项所述的一种网口防雷电路。

9.根据权利要求8所述的一种RJ45网络接口装置，其特征在于，所述网口防雷电路中千兆网才使用，百兆网不使用的网络传输信号线是分别端接在一起，通过75欧姆电阻及电容连接到所述机箱地，该电容采用10V或10V以上的普通耐压电容。 

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