CN104253426A - 用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路及方法，涉及通信设备产品应用领域。该电路包括对通信设备直流电源的突变电压进行粗限压的差模第一级防雷电路、对通信设备直流电源的突变电压和电流形成时滞效应、实现差模第一防雷电路和差模第二级防雷电路之间的去耦合功能的退耦合网络、对差模第一级雷击电压的残压进行精确限压、使得通信设备直流电源免受过压过流能量冲击的差模第二级防雷电路、将通信设备直流电源的突变电流接保护地PE的共模防雷电路。本发明的防雷效率较高，残压维持时间较短，能够降低通信设备直流电源端口的，不仅比较安全，而且适用范围比较广泛，便于人们使用。

Description

用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路及方法

技术领域

本发明涉及通信设备产品应用领域，具体涉及一种用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路及方法。

背景技术

随着信息技术的快速发展，通信运营商对通信设备的使用环境要求越来越高，许多局(站)通信设备(以下简称通信设备)被下挂到无人站、室外柜、抱杆等室外场景中使用。

现有的通信设备的直流电源端口的功能电路包括主备电源合路控制电路、机电管理电路、DC/DC(直流斩波器)隔离电源电路、EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)电路等。通信设备的功能电路的在无人站、室外柜、抱杆等室外场景中使用时，由于室外场景中的外界干扰因素较多(例如雷击或者地电位反等)，而且通信设备的功能电路的安全性能等级(耐压等级、抗冲击等级、抗过压等级)较低，因此通信设备在干扰因素较多的室外场景中使用时，耦合雷击和接地系统的地电位反击可能会损坏通信设备的直流电源端口的功能电路，进而使得通信设备无法使用，安全存在极大的隐患。

目前，人们采用2种办法对通信设备进行防雷保护：1、为通信设备增加单一的防护器件，2、通过多级限压和退耦电路，逐级抑制后达到直流电源端口功能电路抗过压要求。但是，上述2种办法分别存在以下缺陷：

(1)随着通信设备适用环境的扩大，通信设备在业务功能增加的同时设备尺寸小型化，进而使得通信设备的空间集成密度显著增加。由于通信设备的元器件的空间限制，在室外场景中使用的通信设备直流电源端口无法使用单一的防护器件完成防雷保护功能，因此，设置有单一防护器件的通信设备难以在室外场景中使用，其适用范围比较单一，难以满足通信运营商的需求。

(2)通过多级限压和退耦电路虽然能够对室外场景中的通信设备进行防雷，但是防雷保护效率低，高残压和残压的维持时间较长，而且多级限压和退耦电路庞大的电路和元件难以兼容在小型化的通信设备中。因此，通过多级限压和退耦电路为通信设备防雷时，不仅防雷保护效率低，而且只能适用于尺寸较大的通信设备，其适用范围比较单一，难以满足通信运营商的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路及方法，防雷效率较高，高残压和残压的维持时间较短，能够降低通信设备直流电源端口的雷击损坏风险、以及各业务盘直流电源端口过压过流冲击风险，不仅比较安全，而且适用范围比较广泛，便于人们使用。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，包括差模第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路和共模防雷电路；所述通信设备直流电源的输入端依次通过差模第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路与电源的输出端相连，通信设备直流电源的输入端通过共模防雷电路接保护地PE；

所述差模第一级防雷电路包括串联在通信设备直流电源负极输入端与正极输入端之间的第一气体放电管GDT1、第一压敏电阻MOV1和第一保险丝F1；差模第二级防雷电路包括串联在通信设备直流电源负极输出端与正极输出端之间的第二压敏电阻MOV2和第二保险丝F2；退耦合网络包括串联在差模第一级防雷电路和差模第二级防雷电路之间的电感或阻性器件T和退耦保险丝F3；共模防雷电路包括串联在电源正极输入端与接保护地PE之间的防雷气体放电管GDT2；

所述差模第一级防雷电路用于：对通信设备直流电源的突变电压进行粗限压，消耗差模能量；

所述退耦合网络用于：对通信设备直流电源的突变电压和电流形成时滞效应，实现差模第一防雷电路和差模第二级防雷电路之间的去耦合功能；

所述差模第二级防雷电路用于：对差模第一级雷击电压的残压进行精确限压，使得通信设备直流电源免受过压过流能量冲击；

所述共模防雷电路用于：将通信设备直流电源的突变电流接保护地PE。

在上述技术方案的基础上，所述第一气体放电管GDT1、第一压敏电阻MOV1和第一保险丝F1顺次相连；第二压敏电阻MOV2和第二保险丝F2顺次相连；电感或阻性器件T包括第一引脚PIN1、第二引脚PIN2、第三引脚PIN3和第四引脚PIN4；第一引脚PIN1通过退耦保险丝F3分别与电源的负极输入端、第一气体放电管GDT1相连；第三引脚PIN3分别与电源的正极输入端、第一保险丝F1、防雷气体放电管GDT2相连；T的第二引脚PIN2分别与电源的负极输出端、第二压敏电阻MOV2相连；T的第四引脚PIN4分别与电源的正极输出端、第二保险丝F2相连；

所述防雷保护电路进行防雷时，控制差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均处于开路状态；通信设备直流电源未正常供电时，直流电源的突变电压使得第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和防雷气体放电管GDT2处于低阻导通状态；

第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端分担电压；第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端导入钳位电流，防雷气体放电管GDT2将部分钳位电流接保护地PE；钳位电流通过第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和电感或阻性器件T流至差模第二级防雷电路；电感或阻性器件T对钳位电流形成电压降；

差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2处于低阻导通状态，第二压敏电阻MOV2将自身的电压限制在150V之内；钳位电流通过第二压敏电阻MOV2流至电源的负极输出端和正极输出端；

第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路和共模防雷电路持续工作，直至差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均恢复至开路状态。

在上述技术方案的基础上，所述第一压敏电阻MOV1的1mA动作电压为33V～39V，最大雷击电流为5KA,8/20μs；第一气体放电管GDT1的直流击穿电压大于75V，最大雷击电流为5KA,8/20μs；第一保险丝F1采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，慢熔7A。

在上述技术方案的基础上，所述退耦合网络的退耦保险丝F3采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，熔断电流满足电路最大工作电流需求；电感或阻性器件T的感量不小于5μH，最大通流满足电路最大工作电流需求。

在上述技术方案的基础上，所述差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2的1mA动作电压范围为82V～100V，最大雷击电流为5KA,8/20μs；第二保险丝F2采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，慢熔5A。

在上述技术方案的基础上，所述共模防雷电路的防雷气体放电管GDT2的直流击穿电压大于75V，最大雷击电流为5KA,8/20μs。

一种基于上述电路的用于通信设备直流电源端口的低残压的防雷保护方法，包括以下步骤：

A、控制差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均处于开路状态，通信设备直流电源未正常供电时，直流电源的突变电压使得第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和防雷气体放电管GDT2处于低阻导通状态；

B、第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端分担电压；第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端导入钳位电流，防雷气体放电管GDT2将部分钳位电流接保护地PE；钳位电流通过第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和电感或阻性器件T流至差模第二级防雷电路；电感或阻性器件T对钳位电流形成电压降；

C、差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2处于低阻导通状态，第二压敏电阻MOV2将自身的电压限制在150V之内；钳位电流通过第二压敏电阻MOV2流至电源的负极输出端和正极输出端；

D、循环执行步骤B～C，直至差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均恢复至开路状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)通信设备直流电源受到攻击(雷击)时，本发明的差模第一级防雷电路能够对通信设备直流电源的突变电压进行粗限压，消耗大部分差模能量；共模防雷电路能够将通信设备直流电源的突变电流接地，进一步消耗差模能量；差模第二级防雷电路能够对差模第一级雷击电压的残压实现精确限压，以使得通信设备直流电源免受过压过流能量冲击。

与现有技术中防雷保护效率低，高残压维持时间较长的多级限压和退耦电路相比，本发明能够通过差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路对通信设备直流电源进行防雷，不仅防雷效率较高，而且高残压和残压的维持时间较短，降低了通信设备直流电源端口的雷击损坏风险、以及各业务盘直流电源端口过压过流冲击风险，使用比较安全。

(2)本发明的电感或阻性器件能够将漏向差模第二级防雷电路的电流在共模电感上形成电压降，并将能量包络展宽，从而限制差模第一级防雷电路流向差模第二级防雷电路的传递的电压和电流突变；进一步保证本发明使用的安全。

(3)本发明的电路元器件较小，能够适用于室外场景的小型化的通信设备中，因此，本发明的适用范围比较广泛，便于人们使用。

附图说明

图1为本发明实施例中用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例中的用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，包括差模第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路和共模防雷电路。

通信设备直流电源的输入端依次通过差模第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路与电源的输出端相连，通信设备直流电源的输入端通过共模防雷电路接保护地PE。

差模第一级防雷电路包括串联在通信设备直流电源负极输入端与正极输入端之间的第一气体放电管GDT1、第一压敏电阻MOV1和第一保险丝F1；差模第二级防雷电路包括串联在通信设备直流电源负极输出端与正极输出端之间的第二压敏电阻MOV2和第二保险丝F2；退耦合网络包括串联在差模第一级防雷电路和差模第二级防雷电路之间的电感或阻性器件T和退耦保险丝F3；共模防雷电路包括串联在电源正极输入端与接保护地PE之间的防雷气体放电管GDT2。

差模第一级防雷电路用于：对通信设备直流电源的突变电压进行粗限压，消耗差模能量。

退耦合网络用于：对通信设备直流电源的突变电压和电流形成时滞效应，实现差模第一防雷电路和差模第二级防雷电路之间的去耦合功能。

差模第二级防雷电路用于：对差模第一级雷击电压的残压进行精确限压，使得通信设备直流电源免受过压过流能量冲击。

共模防雷电路用于：将通信设备直流电源的突变电流接保护地PE。

本实施例中的第一气体放电管GDT1、第一压敏电阻MOV1和第一保险丝F1顺次相连；第二压敏电阻MOV2和第二保险丝F2顺次相连。电感或阻性器件T包括第一引脚PIN1、第二引脚PIN2、第三引脚PIN3和第四引脚PIN4，第一引脚PIN1通过退耦保险丝F3分别与电源的负极输入端、第一气体放电管GDT1相连；第三引脚PIN3分别与电源的正极输入端、第一保险丝F1、防雷气体放电管GDT2相连；第二引脚PIN2分别与电源的负极输出端、第二压敏电阻MOV2相连；第四引脚PIN4分别与电源的正极输出端、第二保险丝F2相连。

本实施例中差模第一级防雷电路的第一压敏电阻MOV1的1mA动作电压为33V～39V，最大雷击电流为5KA,8/20μs。第一气体放电管GDT1的直流击穿电压大于75V，最大雷击电流为5KA,8/20μs。第一保险丝F1采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，慢熔7A。

退耦合网络的退耦保险丝F3采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，熔断电流满足电路最大工作电流需求。电感或阻性器件T的感量不小于5μH，最大通流满足电路最大工作电流需求。

差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2的1mA动作电压范围为82V～100V，最大雷击电流为5KA,8/20μs。第二保险丝F2采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，慢熔5A。

共模防雷电路的防雷气体放电管GDT2的直流击穿电压大于75V，最大雷击电流为5KA,8/20μs。

本发明实施例中的基于上述电路的用于通信设备直流电源端口的低残压的防雷保护方法，包括以下步骤：

S1：控制差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均处于开路状态，判断通信设备直流电源是否正常供电，若是，重新执行步骤S1，否则确定通信设备直流电源受到高压攻击(例如雷击)，直流电源的突变电压使得第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和防雷气体放电管GDT2处于低阻导通状态，转到步骤S2。

S2：第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端分担电压。第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端导入钳位电流，防雷气体放电管GDT2将部分钳位电流接保护地PE。钳位电流通过第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和电感或阻性器件T流至差模第二级防雷电路；电感或阻性器件T对钳位电流形成电压降、并将能量包络展宽。

S3：差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2处于低阻导通状态，第二压敏电阻MOV2将自身的电压限制在150V之内；钳位电流通过第二压敏电阻MOV2流至电源的负极输出端和正极输出端。

S4：循环执行步骤S2～S3，直至差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均恢复至开路状态。

本发明实施例中用于通信设备直流电源端口的低残压的防雷保护方法的工作原理如下：

钳位电流流经电感或阻性器件T时，电感或阻性器件T利用自身的迟滞特性，将漏向差模第二级防雷电路的电流在共模电感上形成电压降，并将能量包络展宽，从而限制差模第一级防雷电路流向差模第二级防雷电路的传递的电压和电流突变。第一保险丝F1。第二保险丝F2和退耦保险丝F3能够防止电路异常短路。

通信设备直流电源的电压减小时，差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路的电压和电流均减小，进而使得差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路从低阻导通状态恢复至断开状态。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，其特征在于：包括差模第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路和共模防雷电路；所述通信设备直流电源的输入端依次通过差模第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路与电源的输出端相连，通信设备直流电源的输入端通过共模防雷电路接保护地PE；

所述差模第一级防雷电路包括串联在通信设备直流电源负极输入端与正极输入端之间的第一气体放电管GDT1、第一压敏电阻MOV1和第一保险丝F1；差模第二级防雷电路包括串联在通信设备直流电源负极输出端与正极输出端之间的第二压敏电阻MOV2和第二保险丝F2；退耦合网络包括串联在差模第一级防雷电路和差模第二级防雷电路之间的电感或阻性器件T和退耦保险丝F3；共模防雷电路包括串联在电源正极输入端与接保护地PE之间的防雷气体放电管GDT2；

所述差模第一级防雷电路用于：对通信设备直流电源的突变电压进行粗限压，消耗差模能量；

所述退耦合网络用于：对通信设备直流电源的突变电压和电流形成时滞效应，实现差模第一防雷电路和差模第二级防雷电路之间的去耦合功能；

所述差模第二级防雷电路用于：对差模第一级雷击电压的残压进行精确限压，使得通信设备直流电源免受过压过流能量冲击；

所述共模防雷电路用于：将通信设备直流电源的突变电流接保护地PE。

2.如权利要求1所述的用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，其特征在于：所述第一气体放电管GDT1、第一压敏电阻MOV1和第一保险丝F1顺次相连；第二压敏电阻MOV2和第二保险丝F2顺次相连；电感或阻性器件T包括第一引脚PIN1、第二引脚PIN2、第三引脚PIN3和第四引脚PIN4；第一引脚PIN1通过退耦保险丝F3分别与电源的负极输入端、第一气体放电管GDT1相连；第三引脚PIN3分别与电源的正极输入端、第一保险丝F1、防雷气体放电管GDT2相连；T的第二引脚PIN2分别与电源的负极输出端、第二压敏电阻MOV2相连；T的第四引脚PIN4分别与电源的正极输出端、第二保险丝F2相连；

所述防雷保护电路进行防雷时，控制差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均处于开路状态；通信设备直流电源未正常供电时，直流电源的突变电压使得第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和防雷气体放电管GDT2处于低阻导通状态；

第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端分担电压；第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端导入钳位电流，防雷气体放电管GDT2将部分钳位电流接保护地PE；钳位电流通过第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和电感或阻性器件T流至差模第二级防雷电路；电感或阻性器件T对钳位电流形成电压降；

差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2处于低阻导通状态，第二压敏电阻MOV2将自身的电压限制在150V之内；钳位电流通过第二压敏电阻MOV2流至电源的负极输出端和正极输出端；

第一级防雷电路、退耦合网络、差模第二级防雷电路和共模防雷电路持续工作，直至差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均恢复至开路状态。

3.如权利要求1或2所述的用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，其特征在于：所述第一压敏电阻MOV1的1mA动作电压为33V～39V，最大雷击电流为5KA,8/20μs；第一气体放电管GDT1的直流击穿电压大于75V，最大雷击电流为5KA,8/20μs；第一保险丝F1采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，慢熔7A。

4.如权利要求1或2所述的用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，其特征在于：所述退耦合网络的退耦保险丝F3采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，熔断电流满足电路最大工作电流需求；电感或阻性器件T的感量不小于5μH，最大通流满足电路最大工作电流需求。

5.如权利要求1或2所述的用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，其特征在于：所述差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2的1mA动作电压范围为82V～100V，最大雷击电流为5KA,8/20μs；第二保险丝F2采用慢熔断保险丝，其分断电压大于125V，慢熔5A。

6.如权利要求1或2所述的用于通信设备直流电源端口的防雷保护电路，其特征在于：所述共模防雷电路的防雷气体放电管GDT2的直流击穿电压大于75V，最大雷击电流为5KA,8/20μs。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述电路的用于通信设备直流电源端口的低残压的防雷保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、控制差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均处于开路状态，通信设备直流电源未正常供电时，直流电源的突变电压使得第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和防雷气体放电管GDT2处于低阻导通状态；

B、第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端分担电压；第一压敏电阻MOV1和第一气体放电管GDT1从电源的正极输入端和负极输入端导入钳位电流，防雷气体放电管GDT2将部分钳位电流接保护地PE；钳位电流通过第一压敏电阻MOV1、第一气体放电管GDT1和电感或阻性器件T流至差模第二级防雷电路；电感或阻性器件T对钳位电流形成电压降；

C、差模第二级防雷电路的第二压敏电阻MOV2处于低阻导通状态，第二压敏电阻MOV2将自身的电压限制在150V之内；钳位电流通过第二压敏电阻MOV2流至电源的负极输出端和正极输出端；

D、循环执行步骤B～C，直至差模第一级防雷电路、差模第二级防雷电路和共模防雷电路均恢复至开路状态。