CN102386619B - 一种抑制干扰信号和浪涌防护的电路 - Google Patents

Abstract

本发明分开了一种抑制干扰信号和浪涌防护的电路，它包括以太网信号输入端口，其特征在于：在以太网信号输入端口的每路差分线中，分别串联有由串联并且反并联连接的两个反应器线圈构成的阻抗元件，各路差分线上的阻抗元件共用一个磁芯反应器。两线圈的同名端与以太网差分线路串接，另两端相短接后接地，或采用压敏元器件串联接地。该电路的同一阻抗元件的两反应器线圈的电感阻抗参数相同，反并联方式串接使反应器线圈在串联的差分线路上产生相抵消的正反向电感，与差分线路连接的两端呈现感抗为零。它对线路传输信号的影响和衰减非常小，能有效地使通信设备抑制干扰信号和浪涌防护。适用于各种通信电路。

Description

一种抑制干扰信号和浪涌防护的电路

技术领域

本发明涉及一种通信电路，特别是抑制干扰信号和浪涌防护电路。

背景技术

目前，在高频信号电路和网络信号传输中，例如移动基站的发射电路、现在大量使用的超五类线的网络线路、同轴电缆、各类信号线路等等。信号的出入输出端非常容易受到不良信号和感应雷电浪涌等不利的电压波或电流波的影响，这些波现象会干扰甚至直接损坏相应电子设备和线路的绝缘性能。在各种通信设备大量使用的数据采集、视频传输和以太网等等设备的信号传输端口中一般不考虑防雷，当这些信号传输端口不进行防雷时可降低成本，但这些设备防雷功能很弱。因此，容易受到各种不良信号的干扰和雷击，造成设备损坏、不能正常工作和经济损失。由于这些信号传输端口的结构和功能相近，可相互参考和利用相关的技术，以下以以太网端口为主要进行说明。

以太网是当前应用最普遍的局域网技术。普遍采用非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线的铜线双绞线的介质传输，包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和千兆以太网1000(100Mbit/s)，它们都符合IEEE802.3。IEEE802.3规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。 以太网一般采用RJ45接口与网络设备连接。

同轴电缆先由两根同轴心、相互绝缘的圆柱形金属导体构成基本单元(同轴对)，再由单个或多个同轴对组成的电缆。同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（即网络同轴电缆和视频同轴电缆）。同轴电缆分50Ω 基带电缆和75Ω宽带电缆两类。基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps。同轴电缆一般采用BNC连接头和T型连接器等进行连接。

以太网和同轴电缆以及其他各类传输线路分别用于不同的领域有不同的传输特性，但都有相同的特征：都是采用铜质或其他金属线路来传输电气信号，非常容易受到雷电感应而产生浪涌电压及电流导致所连接的设备雷击损坏。

市场上为解决不良信号的干扰和雷击损坏出现很多技术方案，一般通过在以太网端口加装气体放电管等防护器件而实现的，但雷击时残压较高，不能可靠保护电路。因此，有通过二级保护的方法，第一级保护电路采用其他放电管，第二级通过浪涌半导体电路保护，两级中间加装由电阻、电感等限流器件组成的退藕电路，这种方式虽然使以太网端口得到有效保护，但增加了线路阻抗而导致的衰减更大，导致线路传输性能不稳定，传输距离也缩短。这种加装退藕元件的保护装置常常在应用中无法达到100M或1000M的全双工传输的实际性能。而且，成本高，体积大，浪涌时残压也较高。

在高频的线路上减少过压值已知的保护方式是采用气体放电管、半导体瞬态管TVS等电压敏感器件，然而它们的操作并不能使设备避免另一种不利现象，即，它不减少电气设备终端上电压上升陡度。为了避免破坏性的中低频现象的已知方法是在线路上串联电容，电容将对高频呈低阻抗特性而对低频呈高祖抗性，对直流有隔离作用。但在需要传输功率较大时或者对衰减要求较高时，串联的电容不能满足这些要求。在高频信号线路上避免破坏性的中低频现象的另一已知方法是使用电感元件并联在设备线路上电感在破坏性的中低频段呈低阻抗性而在高频段呈高祖抗性，但它也不能减少电气设备终端上电压上升陡度。

发明内容   

本发明的目的是提供一种抑制干扰信号和浪涌防护的电路，它对线路传输信号的影响和衰减非常小，能有效地使通信设备抑制干扰信号和浪涌防护。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种抑制干扰信号和浪涌防护的电路，它包括以太网信号输入端口，其特征在于：

在以太网信号输入端口的每路差分线中，分别串联有由串联并且反并联连接的两个反应器线圈构成的阻抗元件，各路差分线上的阻抗元件共用一个磁芯反应器。

所述的阻抗元件中，两线圈的同名端与以太网差分线路串接，另两端相短接后接地，或采用压敏元器件串联接地。

压敏元器，即电压敏感元件包括压敏电阻、气体放电管、半导体瞬态抑制器（(TVS）。

同一阻抗元件的两反应器线圈电感阻抗参数是一致的。

在上述电路中，由于同一阻抗元件的两反应器线圈的电感阻抗参数相同，反并联方式串接使反应器线圈在串联的差分线路上产生相抵消的正反向电感，与差分线路连接的两端呈现感抗为零。所以，在以太网各路差分线上串联了这个等效阻抗为零的阻抗元件，使以太网各路差分线的传输性能没有收到衰减。又通过以太网各路差分线上串联阻抗元件的反并联接端连接在一起并断路接地，使正常传输的以太网高频差分信号并没有被断路入地，而等效为串接高感抗接地。当被保护线路存在直流和低频干扰、其他共模干扰、浪涌电流电压时，本电路串联的阻抗元件对这类有害的电压电流等效阻抗为零，直接与地线短路，这样雷击浪涌能量就直接被短路泄放入地。从而使以太网端口得到保护，并且能控制其残压值在非常低的范围，电路整体不存在一般电压敏感元件的响应时间慢的现象。

附图说明

图1为本发明的以太网抑制干扰和防雷电路的电路结构示意图。

图2为在图1的基础上，各反应器线圈通过电压敏感元件接地的电路结构示意图。

图3为在图1的基础上，在差分线路与串联阻抗元件之间串接压敏器件并接地的电路结构示意图。

图4为在图1的基础上，各阻抗元件共同缠绕在同一个有源磁芯反应器的电路结构示意图。

图5为在图1的基础上，在串联阻抗元件后端连接隔离变压器进行传输信号的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明。

实施例1

    附图1所示，是本发明的以太网抑制干扰和防雷电路的电路结构示意图。从图中可知，在以太网的两对差分线路RX+和RX-与TX+和TX-上，分别串联了4个阻抗元件L1、L2、L3和L4，其中：在第一差分线RX+上串接了阻抗元件L1，它包含了两个串联反应器线圈L11和L12。反应器线圈L11和L12的接法是反并联方式，两个反应器线圈串联的连接端A，也叫反并联接端A引出连线与地PGND相接。同理，以同样的连接方式在差分线RX-、TX+和TX-上分别串接有阻抗元件L2~L4，各阻抗元件也分别包含了线圈L21和L22、L31和L32、L41和L42，阻抗元件L2~L4的结构参数设计与阻抗元件L1一样，将其中的两个反应器线圈串联的连接端B、C、D，即反并联接端B、C、D也通过引线和地PGND短接。

在图1中，阻抗元件L1中的两个反应器线圈L11和L12采用了反并联接方式，其实质就是阻抗元件L1中两个反应器线圈的同名端反向串接，线圈L11和L12分别在有源磁芯反应器中产生大小相等但方向相反的磁场，导致阻抗元件L1对外呈现的感抗为零。因此，高频以太网信号从差分线路RX+输入端经过串联的阻抗元件L1再传输到差分线路RX+的输出端时由于阻抗元件L1的等效阻抗为零，此时磁芯反应器中磁场强度为零，信号没有受到衰减。同理，阻抗元件L2~L4在各差分线上均有此效果。

差分线路RX+线路上阻抗元件L1的反并联接端A与其它差分线路RX-、TX+、TX-、PGND短接在一起，若高频以太网信号自RX+线路的输入端进入并经过线圈L11，然后分别经过线圈L21、L31、L41到各差分线RX-、TX+、TX-输入端和接地PGND端形成回路时，至少包含一个以上的反应器线圈。由于高频以太网信号通过各反应器线圈L12、L22、L32、L42组成的等效阻抗回路比值于阻抗为零的反并联接端A～ D和接地PGND端而言是无穷大，因此这决定了高频以太网信号不会通过本段所描述的回路传输。因此以太网高频信号在上述回路受到衰减基本可以忽略不计；同理，线圈L2~L4在各差分线上均有此效果。

阻抗元件L1、L2、L3、L4中各个线圈的感抗值依据所传输的高频以太网信号而设定，适当值的各个反应器线圈的感抗值能确保高频以太网信号不被旁路入地，其衰减程度受到控制。

当有直流高电平侵入时，各差分线路串联的阻抗元件的等效电阻为零。侵入的直流高电平将直接被短路入地，线路得到保护。

当有低频的工频电波和其他低频干扰波等从差分线路RX+输入时，由于频率低，相对在阻抗元件的各个反应器线圈所产生的感性阻抗也很小，电流流经线圈L11后被短路入地PGND。干扰波经线圈L12、L22、L32、L42传导到输出端的分量非常低仍可忽略不计，这保证了网络线路敷设于各种复杂的环境受到的干扰很大降低。

高频以太网信号的电压电流非常弱，其传输的能量极低，本电路采用了截面积小的磁芯反应器，能满足高频以太网信号的电压电流所传输的能量并有一定余量即可，正常工作是磁芯反应器出于线性状态，只有流经线圈的电流强大时，磁芯反应器将随强电流而工作于饱和。饱和的磁芯反应器将导致阻抗元件失效等效为短路状态。

因此，当有雷电浪涌电压从差分线路RX+输入端侵入时，浪涌电流强度很大，电流流经线圈L11将使阻抗元件L1的磁芯反应器工作于饱和状态，阻抗元件L1因磁饱和失效，线圈L11的电感量变低，浪涌被短路入地PGND，同时因磁芯反应器饱和导致线圈L12失效不会产生感应电压，电路仍受到保护。

浪涌电流被直接短路入地而不经过电压敏感元件，这将使浪涌电压在线路的残压将保持非常低的状态。

本发明图1的电路中由于不采用任何电压敏感元件，电路的响应时间不受电压敏感元件的动作相应时间的任何影响，其反应时最迅速的。而且，电路中的串联并且反并联的阻抗元件是对称的，实际使用上本发明的电路的保护及传输是双向的，输入与输出的无任何差别。

实施例2

图2所示，是在图1的基础上，各反应器线圈通过电压敏感元件接地的电路结构示意图。这个电路主要应用于某些特殊环境中，因地网接地电阻高，存在干扰非常多且地网电位的电压差较大，用以避免可能出现不必要的干扰导致线路传输的不正常。在图中，将阻抗元件L1、L2、L3、L4的反并联连接端A、B、C、D，通过电压敏感元件E与地线相连接。

当线路电压低于电压敏感元件E工作电压状态下，电压敏感元件E处于开路状态，各差分线路与阻抗元件L1、L2、L3、L4和地线开路；当出现浪涌电流或电压波时，通过电压敏感元件E与地线相连接时，当线路电压高于电压敏感元件E工作电压状态，电压敏感元件E迅速导通为短路状态，各差分线路与阻抗元件L1、L2、L3、L4和地线短路，从而使线路得到保护。

在地网阻抗高及各种干扰信号强的特殊情况下，如不通过电压敏感元件E与地线相连接，可能发生干扰信号沿阻抗元件L1、L2、L3、L4的共用接地端对信号线路干扰信号电路；采用电容阻抗值比较小的电压敏感元件对地线中的干扰信号进行隔离，很大程度可抑制干扰信号对线路的影响。

所述的电压敏感元件包括压敏电阻、气体放电管、半导体瞬态抑制器（TVS）。

实施例3

图3所示，是在图1的基础上，在差分线路与串联阻抗元件之间连接三端电压敏感元件并接地的电路结构示意图。从图中可知，是在图1的基础上，在差分线路与串联阻抗之间并接放电管F1、F2并接地，以确保阻抗元件L1、L2、L3、L4中的各反应器线圈不会被过大的浪涌电流烧毁。其中，放电管F1和F2相同，为三端气体放电管。

在防雷区LPZ0_A区（该区内的各物体都可能遭受直接雷击和导走全部雷电流，该区内的电磁场强度没有衰减。）和防雷区LPZ0_B区（该区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但该区内的电磁场强度没有衰减。）等防雷区，雷电产生的电磁场强度非常大，在这两个防雷区的界面上通过此界面的信号线路感应的浪涌电流非常大，如图1的保护可能导致阻抗元件L1、L2、L3、L4中的各反应器线圈被过大的浪涌电流烧毁，解决的方法如图3所示。当线路工作正常时，线路电压低于电压敏感元件F1和F2的动作电压，电压敏感元件F1和F2处于开路状态；当线路出现浪涌时，线路浪涌电压高于电压敏感元件F1和F2的动作电压，电压敏感元件F1和F2迅速导通处于短路状态；浪涌能量被短路接地。

由于阻抗元件L1、L2、L3、L4设计有电感阻抗，就确保了绝大部分的能量通过前级的电压敏感元件F1和F2短路入地，剩余的浪涌在通过阻抗元件L1、L2、L3、L4接入地作为第二级精细保护，达到了二级保护的效果，其后端输出的浪涌残压非常低；也避免过大的浪涌电流烧毁阻抗元件L1、L2、L3、L4的线圈。

实施例4

图4所示，在实施例1的基础上，各阻抗元件共同缠绕在同一个有源磁芯反应器的电路结构示意图。从图中可知，它是在图1的基础上将各个阻抗元件L1、L2、L3和L4各自采用的有源磁芯反应器改变为所有阻抗元件L1、L2、L3和L4共用一个有源磁芯反应器。将原来分立的各个阻抗元件L1、L2、L3和L4组合成一个阻抗元件L，阻抗元件L中的各个阻抗元件L1、L2、L3和L4参数与实施例1中的相同，然后按实施例1的方式连接于各差分线路上。

在图4中，正常工作频率（高频以太网信号）通过时，各个阻抗元件L1、L2、L3和L4的线圈在有源磁芯反应器中产生大小相等但方向相反的磁场，因此有源磁芯反应器磁路磁场为零，总阻抗元件L对外呈现的感抗为零，其工作原理和实施例1一致。因此各个差分线路之间没有也相互干扰，也不会因此出现正常信号的衰减。当出现直流、低频干扰、浪涌侵入，其保护原理与实施例1的情况相同，电路仍然受到保护。

实施例4和实施例1比较，是极大地节省了磁芯反应器的数量，而且能因此减小元件的体积，同时仍能保持其保护功能。可应用在空间体积更小电路或元器件中。

实施例5

图5所示，是在图1的基础上，在串联阻抗元件后端连接隔离变压器进行传输信号的电路结构示意图。由图中可知，在图1的线圈L12和L22、L32和L42的输出端上分别通过隔离变压器T1、T2进行信号传输。该电路在图1的基础上增加了隔离变压器T1、T2，在具有图1所示的性能基础上，又使电路具备了更好的隔离直流和共模信号的功能，而且还增加了本发明电路的第二级保护的功能。

图5中的阻抗元件L1、L2、L3、L4的工作原理如图1所述，增加隔离变压器T1、T2进行信号传输。隔离变压器T1、T2具有隔离直流的功能，同时当所设计的隔离变压器T1、T2的交换容量较小时，通过设计其相关的工作频率等参数，使隔离变压器T1、T2也能隔离一部分浪涌能量，避免输出到二次侧的浪涌能量过大。达到了更好的抗干扰作用。

现有网络设备中，如交换机、路由器等，其网络信号接口也大量应用到隔离变压器，实施例5可以将本发明的电路与信号变压器组合成具有防浪涌功能的网络变压器。

本发明的各电路组成的装置，可放置在通信设备以太网端口外，成为外置式独立设备，多路以太网保护电路可组成集成式防雷装置。也可放置在通信设备以太网端口后级，成为通信设备的一部分。 

常用的以太网包括10M/100M和1000M的网络，10/100M以太网包括两对差分线（RX+、RX-、TX+、TX-）共有4路；1000M则采用四对差分线共有8路。无论是100M或是1000M，均可使用本发明的以太网接口抑制干扰和防雷电路进行保护，原理一样。

本发明已以将较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的构思范围之内，所做出的相关各种抑制干扰信号和浪涌防护的电路，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种抑制干扰信号和浪涌防护的电路，它包括以太网信号输入端口，其特征在于：

在以太网信号输入端口的每路差分线（RX+、RX-、TX+、TX-）中，分别串联有由串联并且反并联连接的两个反应器线圈（L11和L12、L21和L22、L31和L32、L41和L42，）构成的各路阻抗元件（L1、L2、L3、L4），每路差分线上的阻抗元件（L1、L2、L3、L4）的两个反应器线圈（L11和L12、L21和L22、L31和L32、L41和L42，）用一个磁芯反应器。

2.根据权利要求1所述的抑制干扰信号和浪涌防护的电路，其特征在于：

所述的阻抗元件（L1、L2、L3、L4）中，两个反应器线圈（L11和L12、L21和L22、L31和L32、L41和L42，）的同名端与以太网差分线（RX+、RX-、TX+、TX-）串接，另两端相短接后直接接地，或通过压敏元器件（E）接地。

3.根据权利要求2所述的抑制干扰信号和浪涌防护的电路，其特征在于：

所述的压敏元器件（E），即电压敏感元件包括压敏电阻、气体放电管、半导体瞬态抑制器TVS。

4.根据权利要求1或2所述的抑制干扰信号和浪涌防护的电路，其特征在于：

同一阻抗元件（L1、L2、L3、L4）的两反应器线圈（L11和L12、L21和L22、L31和L32、L41和L42，）的电感阻抗参数相同。

5.根据权利要求1所述的抑制干扰信号和浪涌防护的电路，其特征在于：

在差分线路（RX+、RX-、TX+、TX-）与阻抗元件（L1、L2、L3、L4）之间并接有三端电压敏感元件（F1、F2），三端电压敏感元件（F1、F2）的一端接地。

6.根据权利要求1或2或5所述的抑制干扰信号和浪涌防护的电路，其特征在于：

所有差分线路阻抗元件（L1、L2、L3、L4）的所有线圈（L11和L12、L21和L22、L31和L32、L41和L42，）共用一个磁芯反应器。

7.根据权利要求1所述的抑制干扰信号和浪涌防护的电路，其特征在于：

所有路差分线路阻抗元件（L1、L2、L3、L4）的输出反应器线圈（L12和L22、L32和L42）的输出端，都通过隔离变压器（T1、T2）进行信号传输。