CN103872673B - 一种网口防护的三级防雷模块 - Google Patents
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Abstract
一种基于网口防护的三级防雷模块，其中第一级防雷系统位于输入侧RJ45接口侧，包括位于差分数据线之间并联的四个气体放电管，第二级防雷系统位于隔离变压器，从隔离变压器的每个绕组的中心抽头引出一根线来，分别串联一个压敏电阻到地；第三级防雷系统A也位于隔离变压器，从所述隔离变压器的每个绕组的中心抽头所引出的线分别串联一个电感后再串联一个双极性瞬态电压抑制管到地；第三级防雷系统B位于隔离变压器，分4个防护小组，每个防护小组包括一个整流桥以及和整流桥并联的单向TVS管。本发明具有防护等级高、巧妙处理TVS管结电容，不衰减信号、合理运用各元件的响应时间和通流量，组成多级防护等优点。
Description
技术领域
本发明涉及防雷和通信领域，特别的，涉及一种应用于10/100/1000M网络口防护的三级防雷模块。
背景技术
防雷板是连接主板与外部接口的一种可抑制浪涌，ESD，雷电等冲击的装置。随着无线WIFI的发展，无线覆盖和无线监控被大量的建设。这些设备通常都放置在室外，承受风雨雷电的冲击，这就迫切需要增强产品的防雷能力。特别是网络设备中经常使用以太网供电，以太网供电(Power0ver Ethernet，PoE)是一种将供电集成到标准局域网设备中的技术。它可通过使用同一根用于网络连接的电缆，将电源供应到网络设备上，例如IP电话机、网络摄像机和AP，其更容易在使用中遇到防雷的问题。
如果将防雷电路置于主板上，在设计验证上会有很大的麻烦，往往会因为防雷设计的不合理导致整个产品要重新设计和生产，浪费人力财力。如果采用防雷板与主板分离，则可以选择合适的防雷板直到测试通过，并可以根据不同的要求选择不同等级的防雷板。
现有技术中存在着多种不同的防雷技术，包括气体放电管、压敏电阻和瞬态抑制二极管。但这三种不同的防雷技术虽然存在着一定的优点，但存在着一定的缺陷。具体而言：气体放电管虽然具有很大的通流量和很小的结电容，但是其响应时间很慢；压敏电阻防护能力次之，但响应速度比之有所提高；瞬态抑制二极管具有很快的响应时间，但是其通流量很小，其结电容很大，影响高速信号质量。所以目前很多防雷板有很好的防护能力，但是衰减了信号质量，减小了传输距离。
因此，如何能够综合这三种不同的防雷技术，既提高网络防护，特别是提供POE供电时满足网络防护，避免信号衰减，又能具有较好的防雷要求，成为现有技术亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于一种具有超强防雷能力，包含三级防雷系统。旨在解决防护要求高，信号质量要求高等问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于网口防护的三级防雷模块，包括输入侧RJ45接口，隔离变压器和输出侧RJ45接口，其特征在于：包括三级防雷，
第一级防雷系统位于输入侧RJ45接口侧，包括四个气体放电管，在输入侧RJ45具有4对差分数据线，每一对数据线之间并联一个所述气体放电管，所述气体放电管的中间脚接地；
第二级防雷系统位于隔离变压器，从所述隔离变压器的每个绕组的中心抽头引出一根线来，所引出的4根线分别串联一个压敏电阻到地，四个压敏电阻构成第二级防雷系统；
第三级防雷系统A也位于隔离变压器，从所述隔离变压器的每个绕组的中心抽头所引出的线分别串联一个双极性瞬态电压抑制管到地，四个双极性瞬态电压抑制管构成第三极防雷系统A。
优选地，还包括第三级防雷系统B，所述第三级防雷系统B位于隔离变压器，分4个防护小组，所述防护小组分别并联在隔离变压器二次侧引出的4对差分数据线之间，每个防护小组包括一个整流桥以及和整流桥并联的单向TVS管，每个所述整流桥由两个二极管串联，再彼此并联的四个二极管所组成，所述差分数据线位于串联的两个二极管之间。
优选地，在输入侧RJ45的8根数据线通过8个退耦电阻连接到网络隔离变压器一次侧，所述退耦电阻作为第一级防雷和第二级防雷的隔离。
优选地，对于第三级防雷A，在所述中心抽头所引出的线先串联一个退耦电感，再串联所述双极性瞬态电压抑制管到地。
优选地，从所述隔离电感与所述双极性瞬态电压抑制管之间引线用于POE供电。
优选地，第一级防雷的所述气体放电管击穿电压在200-250V之间，通流量大于2000A，钳位电压在20V以内。
优选地，第二级防雷的所述压敏电阻的钳位电压在120V-140V之间，通流量大于500A。
优选地，所述退耦电阻为2.2欧的色环电阻，功率3W以上，所述退耦电感的电感值大于220uH。
优选地，所述第三级防雷系统A中的所述双极性瞬态电压抑制管击穿电压大于56V，钳位电压小于70V。
优选地，第三级防雷B的所述单向TVS管响应时间在皮秒级，击穿电压5V左右，钳位电压不超过20V。
综上，本发明综合了三种不同的防雷系统的优点，构建三级防雷系统，同时增加退耦电阻和退耦电感以在不同的防雷系统之间进行有效的隔离。本发明具有防护等级高、巧妙处理TVS管结电容，不衰减信号、合理运用各元件的响应时间和通流量，组成多级防护等优点。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的基于网络防护的三级防雷模块；
图2是根据本发明的另一个实施例的基于网络防护的三级防雷模块；
1、输入侧RJ45接口；2、隔离变压器；3、输出侧RJ45接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
参见图1，公开了根据本发明具体实施例的基于POE供电的三级防雷模块。，其包括输入侧RJ45接口1，隔离变压器2和输出侧RJ45接口3，第一级防雷系统位于输入侧RJ45接口侧，包括四个气体放电管G1、G2、G3和G4，在输入侧RJ45具有4对差分数据线，每一对数据线之间并联一个气体放电管，所述气体放电管的中间脚接地；
第二级防雷系统位于隔离变压器，从所述隔离变压器的每个绕组的中心抽头引出一根线来，所引出的4根线分别串联一个压敏电阻到地，所述四个压敏电阻RV1、RV2、RV3和RV4即构成第二级防雷系统；
第三级防雷系统A也位于隔离变压器，从所述隔离变压器的每个绕组的中心抽头所引出的线分别串联一个双极性瞬态电压抑制管到地，四个双极性瞬态电压抑制管TVS1～TVS4构成第三极防雷系统A；
第三级防雷系统B位于隔离变压器，分4个防护小组，所述4个防护小组分别并联在隔离变压器二次侧引出的4对差分数据线之间，每个防护小组包括一个整流桥以及和整流桥并联的单向TVS管，每个所述整流桥由两个二极管串联，再彼此并联的四个二极管所组成，所述差分数据线位于串联的两个二极管之间。参见图1，D1和D3串联，D2和D4串联，组成整流桥后再并联TVS5，一根差分数据线位于D1和D3之间，另外一根差分数据线位于D2和D4之间；类似的D5～D8组成一个整流桥，再并联TVS6；D9～D12组成一个整流桥，再并联TVS7；D13～D16组成一个整流桥，再并联TVS8；上述二极管D1～D16和TVS5～TVS8就组成第三级防雷系统B。
本发明的三级防雷系统，依照各种防雷元件响应时间的快慢和泄放浪涌能力的不同等特性合理组成，防雷等级高，防雷可靠性好。
第一级防雷是气体放电管G1～G4，该级防雷既防差模也防共模。当差模浪涌袭来时，气体放电管G1～G4两端有浪涌电压，当其浪涌电压超过了气体放电管的击穿值时，气体放电管会被击穿，浪涌电压就会被钳位在很低的电压门限上。当共模浪涌袭来时，气体放电管G1～G4的一端和中间脚有浪涌电压，当其浪涌电压超过了气体放电管的击穿值时，气体放电管被击穿，浪涌电压被钳位在很低的电压门限上，从而保护后级电路。
第二级防雷是压敏电阻RV1～RV4，该级防雷只能防护共模浪涌。当共模浪涌来临时，并其电压超过了压敏电阻的压敏电压值，压敏电阻开始钳位，随着浪涌电压的升高，压敏电阻上电压也会升高，但升高到压敏电阻的钳位电压值后，即使浪涌电压再升高，压敏电阻上电压也不会再升高，从而保护后级电路。
优选地，在输入侧RJ45的8根数据线通过8个退耦电阻连接到网络隔离变压器一次侧后，作为第一级防雷和第二级防雷的隔离。当压敏电阻RV1～RV4钳位后，如果没有R1～R8，那么第一级防雷G1～G4上的共模电压就只能达到压敏电阻RV1～RV4的钳位电压值，而气体放电管的击穿电压比压敏电阻钳位电压高，导致气体放电管G1～G4无法被击穿，起不到保护的作用。
第三级防雷系统A是双向TVS管TVS1～TVS4，该级防雷只能防护共模浪涌。当共模浪涌来临时，并其电压超过了所述双向TVS管的击穿电压，双向TVS管会将浪涌钳位，随着浪涌电压的升高，双向TVS上电压也不会再升高，从而保护后级电路。
进一步优选的，在所述压敏电阻RV1～RV4和所述双向TVS管TVS1～TVS4之间具有退耦电感。所述退耦电感具有两个作用，一是可以起到电流抑制作用，二是作为第二级防雷和第3级防雷A的隔离。当浪涌尖峰加在退耦电感上时，由于电感的特性，会产生反向电动势抑制电流增大，同时在电感两端存在压降。TVS1～TVS4被击穿后，如果没有L1～L4，压敏电阻上电压也会被钳位与双向TVS管同一水平，导致压敏电阻无法被击穿，起不到保护作用。
进一步优选地，所述第三级防雷系统A除了保护PHY外，还要保护后级电源。因为一般会从隔离变压器中心抽头引出线作为POE电源给后级主板提供48V直流电源。即参见图2，本发明所公开的网络设备还适用于POE供电，也就是说本发明所公开的防雷模块可以进一步的对具有POE供电的网络设备进行防护。在本实施例中，从所述隔离电感与所述双极性瞬态电压抑制管之间引线用于POE供电。具体而言，从电感L1～L4后面分别引出四根线用于POE供电，其中，POE供电_1，2和POE供电_3，6是一组供电；POE供电_4，5和POE供电_7，8是另一组供电。
第三级防雷系统B包括二极管D1～D16和单向TVS管TVS5～TVS8，该级防护只能防护差模浪涌。当差摸浪涌来临时，每对差分数据线间都有浪涌电压，此时TVS管会将电压钳位，保护后级电路。但是TVS管结电容很大，放在数据线间会影响信号质量。针对如此，本发明使用4个二极管组成一个整流桥与TVS并联，再将整流桥并联到数据线之间。这样数据信号通过整流桥给TVS的结电容充电，充满后，结电容没有放电路径。这样，当数据信号为低时，结电容不能通过信号线放电；当数据信号为高时，结电容早已充满，数据信号也不会给结电容充电。如此，TVS的电容效应就会变得很小很小，几乎不影响信号质量。
优选地，第一级防雷的所述气体放电管击穿电压在200～250V之间，通流量大于2000A，钳位电压在20V以内。
优选地，第二级防雷的所述压敏电阻RV1～RV4的钳位电压在120V～140V之间，通流量大于500A。
优选地，所述退耦电阻为2.2欧的色环电阻，功率3W以上。
优选地，所述第三级防雷系统A除了保护PHY外，还要保护后级电源。因为一般会从隔离变压器中心抽头引出线作为POE电源给后级主板提供48V直流电源。所以所述双向TVS管，即所述双极性瞬态电压抑制管TVS1～TVS4优选为击穿电压大于56V，钳位电压小于70V的双向TVS管。
优选地，所述退耦电感要选大感值电感，优选为电感值大于220uH。
优选地，第三级防雷B是为了保护后级的PHY芯片，因此，所述单向TVS管优选响应时间在皮秒级，击穿电压5V左右，钳位电压不超过20V的单向TVS管。
对于POE防雷，气体放电管的通流能力虽然最大，结电容虽然最小，但是其响应时间很慢，通常为微秒级。TVS管的响应时间虽然最快，通常为皮秒级，但是其通流能力最小，结电容最大。压敏电阻的各项指标都处于两者之间。一个好的防雷系统必须同时具备响应快，通流能力大，不能影响信号质量等特点。对此，本发明采用三级防雷，第一级为气体放电管，第二级为压敏电阻，第三级为TVS管，同时满足响应快，通流能力大，不能影响信号质量这些要求。
如果只有一级防雷系统，即仅有气体放电管G1～G4，也可以起到差模共模的防护。但是，气体放电管响应时间很慢，雷击波形通常在几微秒内就能上升到几千伏的高压，在气体放电管响应之前，没有其他防护来保护后级电路，这样很可能损坏后级电路。
如果只有第三极防雷系统，虽然响应很快，但是一旦浪涌能量很大，TVS管将无法承受，可能会被打坏，从而也无法保护后级电路。
在本发明中，既有气体放电管的大通流量，又有TVS的快速响应，中间还有压敏电阻的过度。
如果差模浪涌电压加在本发明中，首先响应的是第三级防雷系统B中的TVS5～TVS8，TVS5～TVS8迅速将电压钳位。随着浪涌电压的继续升高，一旦达到第一级防雷系统中G1～G4的击穿电压，气体放电管G1～G4就会被击穿。一旦气体放电管被击穿，浪涌电压就会被钳位在很低的电压上，此时所有的浪涌能量都经过气体放电管泄放。
如果共模浪涌电压加在本发明中，首先响应的是第三级防雷系统A中的TVS1～TVS4，TVS1～TVS4会迅速将电压钳位。大电感L1～L4此时起到限流作用，防止瞬间电流太大损坏TVS管。虽然此时TVS1～TVS4已钳位，由于L1～L4的存在，如果浪涌电压继续加大，第二级防雷系统的RV1～RV4上的电压会继续增大，一旦达到击穿值，RV1～RV4再次将浪涌电压钳位。如果浪涌电压还继续增大，由于退耦电阻R1～R8的存在，气体放电管的中间脚和一端上的电压将继续增大，一旦达到击穿值，气体放电管G1～G4第三次将电压钳位，并且此次钳位会在很低电压门限上，所有的浪涌能量将经过G1～G4泄放。从而保护后级电路。
综上所述，本发明具有防护等级高、巧妙处理TVS管结电容，不衰减信号、合理运用各元件的响应时间和通流量，组成多级防护等优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。
Claims (5)
1.一种基于网口防护的三级防雷模块，包括输入侧RJ45接口，隔离变压器和输出侧RJ45接口，其特征在于：包括三级防雷，
第一级防雷系统位于输入侧RJ45接口侧，包括四个气体放电管，在输入侧RJ45具有4对差分数据线，每一对数据线之间并联一个所述气体放电管，所述气体放电管的中间脚接地；
第二级防雷系统位于所述隔离变压器的一次侧，从所述隔离变压器的每个绕组的中心抽头引出一根线来，所引出的4根线分别串联一个压敏电阻到地，四个压敏电阻构成第二级防雷系统；
第三级防雷系统A位于所述隔离变压器的一次侧，从所述隔离变压器的每个绕组的中心抽头所引出的线分别串联一个双极性瞬态电压抑制管到地，四个双极性瞬态电压抑制管构成第三级防雷系统A；
还包括第三级防雷系统B，所述第三级防雷系统B位于隔离变压器，分4个防护小组，所述防护小组分别并联在隔离变压器二次侧引出的4对差分数据线之间，每个防护小组包括一个整流桥以及和整流桥并联的单向TVS管，每个所述整流桥由两个二极管串联，再彼此并联的四个二极管所组成，所述差分数据线位于串联的两个二极管之间，所述单向TVS管与串联的两个二极管并联；
在输入侧RJ45的8根数据线通过8个退耦电阻连接到网络隔离变压器一次侧，所述退耦电阻作为第一级防雷和第二级防雷的隔离；
第一级防雷的所述气体放电管击穿电压在200～250V之间，通流量大于2000A，钳位电压在20V以内；第二级防雷的所述压敏电阻的钳位电压在120V～140V之间，通流量大于500A；
对于第三级防雷系统A，在所述中心抽头所引出的线先串联一个退耦电感，再串联所述双极性瞬态电压抑制管到地。
2.根据权利要求1所述的三级防雷模块，其特征在于：
从所述退耦电感与所述双极性瞬态电压抑制管之间引线用于POE供电。
3.根据权利要求2所述的三级防雷模块，其特征在于：
所述退耦电阻为2.2欧的色环电阻，功率3W以上，所述退耦电感的电感值大于220uH。
4.根据权利要求2所述的三级防雷模块，其特征在于：
所述第三级防雷系统A中的所述双极性瞬态电压抑制管击穿电压大于56V，钳位电压小于70V。
5.根据权利要求2所述的三级防雷模块，其特征在于：
第三级防雷系统B的所述单向TVS管响应时间在皮秒级，击穿电压5V左右，钳位电压不超过20V。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Wu Mingzhu Document name: Notification of Publication of the Application for Invention |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 310052, Zhejiang City, Binjiang District province six Hangzhou road and central control technology park E District, 7 floor, Hangzhou, London, Chong, Polytron Technologies Inc Applicant after: HANGZHOU DUNCHONG SCIENCE & TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: Hangzhou City, Zhejiang province Binjiang District Puyan streets 310053 Yi Tian square 1 unit 1 Room 401 Hangzhou Dun Chong Polytron Technologies Inc Applicant before: HANGZHOU DUNCHONG SCIENCE & TECHNOLOGY CO.,LTD. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A three-level lightning protection module for network port protection Effective date of registration: 20230316 Granted publication date: 20180424 Pledgee: Hangzhou United Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Yuhuang Sub branch Pledgor: HANGZHOU DUNCHONG SCIENCE & TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023980034975 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180424 |