CN110011290B - 一种以太网接口防浪涌电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种以太网接口防浪涌电路，通过设置电源防护电路，主要对火线和零线件的差模保护及火线对地、零线对地的共模保护；通过设置POE扣板防护电路，可以对于正负两向电流选用不同的路径将大功率电流吸收，起到防护作用；通过在防护电路中设置一级防护电路和二级防护电路，增强网口的差模防护能力，并且不会影响网络传输性能，可以保证原来的网络传输距离和传输速度，网络传输距离和网口波形均可满足规范要求，同时具有良好的防雷效果。

Description

一种以太网接口防浪涌电路
技术领域
本发明涉及电力通讯领域，尤其涉及一种以太网接口防浪涌电路。
背景技术
电力通讯设备一般用来对整个电网进行监控和通讯，由于经常跟高压打交道，对于特定的应用场景，电力规范提出了通讯设备的网口需要满足浪涌和耐压的要求。浪涌防护的方法是将雷击的能量有效地疏导泄放，而耐压的方法却是要求设备能够阻止高压的导通形成电流，一个是导一个是阻，这两种防护本来就是一个矛盾体。在众多电力通讯设备开发厂家中，大家基本都是通过安装网口防雷器来实现浪涌，通过卸掉网口防雷器件来过耐压，在不对设备进行修改的情况下无法同时满足电力的网口浪涌和耐压防护需求，由于新的标准ITU-TK.21和K.44增加了POE(Power Over Ethernet有源以太网)设备的差模防护要求，因此我们设计生产的POE设备必须具有差模防护能力。但是现有技术中，存在无法同时满足电力的网口浪涌和耐压防护需求以及POE设备差模防护能力差。因此，为解决上述问题，本发明提供一种以太网接口防浪涌电路，不仅可以满足电力的网口浪涌和耐压防护需求，还可以提高POE设备的差模防护能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种以太网接口防浪涌电路，不仅可以满足电力的网口浪涌和耐压防护需求，还可以提高POE设备的差模防护能力。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种以太网接口防浪涌电路其包括顺次电性连接的以太网控制器、网络变压器、防护电路和RJ45连接器，以及电压转换电路，还包括电源防护电路和POE扣板防护电路；
电源防护电路的输入端与火线、零线电性连接，电源防护电路的输出端与电压转换电路电性连接，电压转换电路和POE扣板防护电路电性连接，POE扣板防护电路分别与网络变压器和RJ45连接器电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，电源防护电路包括气体放电管D3、气体放电管D4、电感L6、电感L7、变压器T1和压敏电阻器MOV1-MOV3；
气体放电管D3的一端电极与火线电性连接，气体放电管D3的另一端电极通过压敏电阻器MOV1与零线电性连接，压敏电阻器MOV2的一端分别与火线和电感L6的一端电性连接，压敏电阻器MOV3的一端分别与零线与电感L7的一端电性连接，压敏电阻器MOV2的另一端和压敏电阻器MOV3的另一端均通过气体放电管D4与地线电性连接，电感L6的另一端与变压器T1的初级线圈的一端电性连接，变压器T1的初级线圈的另一端与电压转换电路电性连接，电感L7的另一端与变压器T1的次级线圈的一端电性连接，变压器T1的次级线圈的另一端与电压转换电路电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，POE扣板防护电路包括压敏电阻器MOV4-MOV5、单向TVS管和电感L8；
压敏电阻器MOV4一端分别与电压转换电路、单向TVS管的负极和电感L8的一端电性连接，单向TVS管的正极和电感L8的另一端均通过压敏电阻器MOV5与压敏电阻器MOV4的另一端电性连接，压敏电阻器MOV4的另一端分别与RJ45连接器和电压转换电路电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，防护电路包括相互电性连接的一级防护电路和二级防护电路；
一级防护电路对浪涌电压进行第一级保护，起泄放雷电暂态过电流和限流过电压作用；
二级防护电路对差分信号进行双向残压吸收，对浪涌电压就进行第二级保护；
一级防护电路与网络变压器电性连接，二级防护电路与RJ45连接器电性连接。
进一步优选的，一级防护电路包括气体放电管D1、气体放电管D2和电阻R9-R12；
气体放电管D1的一端电极分别与以太网控制器的TX+引脚和电阻R9的一端电性连接，气体放电管D1的另一端电极分别与以太网控制器的TX-引脚和电阻R10的一端电性连接，电阻R9的另一端和电阻R9的另一端均与一级防护电路电性连接；
气体放电管D2的一端电极分别与以太网控制器的RX+引脚和电阻R11的一端电性连接，气体放电管D2的另一端电极分别与以太网控制器的RX-引脚和电阻R12的一端电性连接，电阻R11的另一端和电阻R12的另一端均与一级防护电路电性连接。
进一步优选的，二级防护电路包括ESD静电保护元件UFS08A2.8L04和电阻R13-R16；
电阻R9的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的1引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的8引脚和电阻R13的一端与电性连接，电阻R13的另一端与网络变压器电性连接；
电阻R10的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的2引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的7引脚和电阻R14的一端与电性连接，电阻R14的另一端与网络变压器电性连接；
电阻R11的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的4引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的5引脚和电阻R15的一端与电性连接，电阻R15的另一端与网络变压器电性连接；
电阻R12的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的3引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的6引脚和电阻R16的一端与电性连接，电阻R16的另一端与网络变压器电性连接。
进一步优选的，网络变压器包括HX1188NLT网络变压器、电阻R17-R22和电容C6-C9；
HX1188NLT网络变压器的1引脚与电阻R13的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的2引脚通过电阻R17接地，HX1188NLT网络变压器的3引脚与电阻R14的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的6引脚与电阻R15的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的7引脚通过电阻R18接地，HX1188NLT网络变压器的8引脚与电阻R16的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的9引脚通过串联的电阻R22和电容C7接地，HX1188NLT网络变压器的9引脚与以太网控制器的RX-引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的10引脚通过电容C9接地，HX1188NLT网络变压器的11引脚通过串联的电阻R21和电容C7接地，HX1188NLT网络变压器的11引脚与以太网控制器的RX+引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的14引脚通过串联的电阻R20和电容C6接地，HX1188NLT网络变压器的14引脚与以太网控制器的TX-引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的15引脚通过电容C8接地，HX1188NLT网络变压器的16引脚通过串联的电阻R19和电容C6接地，HX1188NLT网络变压器的16引脚与以太网控制器的TX+引脚电性连接。
本发明的一种以太网接口防浪涌电路相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过设置电源防护电路，主要对火线和零线件的差模保护及火线对地、零线对地的共模保护；通过设置POE扣板防护电路，可以对于正负两向电流选用不同的路径将大功率电流吸收，起到防护作用；
(2)通过在防护电路中设置一级防护电路和二级防护电路，增强网口的差模防护能力，并且不会影响网络传输性能，可以保证原来的网络传输距离和传输速度，网络传输距离和网口波形均可满足规范要求，同时具有良好的防雷效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种以太网接口防浪涌电路的结构图；
图2为本发明一种以太网接口防浪涌电路中的电源防护电路的电路图；
图3为本发明一种以太网接口防浪涌电路中的POE扣板防护电路；
图4为本发明一种以太网接口防浪涌电路中的防护电路的电路图；
图5为本发明一种以太网接口防浪涌电路中的网络变压器的连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种以太网接口防浪涌电路，其包括顺次电性连接的以太网控制器、网络变压器、防护电路和RJ45连接器，以及电压转换电路、电源防护电路和POE扣板防护电路；具体的，电源防护电路的输入端与火线、零线电性连接，电源防护电路的输出端与电压转换电路电性连接，电压转换电路和POE扣板防护电路电性连接，POE扣板防护电路分别与网络变压器和RJ45连接器电性连接。
在本实施例中，由于以太网控制器和网络变压器都具有通用的连接端口，因此对以太网控制器和网络变压器的型号不做要求。
电源防护电路，主要对火线和零线件的差模保护及火线对地、零线对地的共模保护。在本实施例中，如图2所示，电源防护电路包括气体放电管D3、气体放电管D4、电感L6、电感L7、变压器T1和压敏电阻器MOV1-MOV3；具体的，气体放电管D3的一端电极与火线电性连接，气体放电管D3的另一端电极通过压敏电阻器MOV1与零线电性连接，压敏电阻器MOV2的一端分别与火线和电感L6的一端电性连接，压敏电阻器MOV3的一端分别与零线与电感L7的一端电性连接，压敏电阻器MOV2的另一端和压敏电阻器MOV3的另一端均通过气体放电管D4与地线电性连接，电感L6的另一端与变压器T1的初级线圈的一端电性连接，变压器T1的初级线圈的另一端与电压转换电路电性连接，电感L7的另一端与变压器T1的次级线圈的一端电性连接，变压器T1的次级线圈的另一端与电压转换电路电性连接。其中，气体放电管D3、气体放电管D4为陶瓷气体放电管，气体放电管D3选用标称放电电流不小于5KA的型号，气体放电管D4选用标称放电电流不小于10KA的型号，压敏电阻器MOV1-MOV3选用标称放电电流不小于5KA的型号，气体放电管D3和压敏电阻器MOV1构成火线和零线之间的差模防护；气体放电管D4和压敏电阻器MOV1-MOV2构成火线、零线和地线之间的共模防护；电感L6、电感L7为差模扼流圈，变压器T1位共模扼流圈，其作用是改善气体放电管D3、气体放电管D4和压敏电阻器MOV1-MOV3的动作特性。
POE扣板承载着给下一级设备供电的功能，在POE扣板的防雷设计中，首先需要对POE扣板和主板隔离，而该部分主要由主板上给POE扣板供电的DC-DC隔离变压器完成，属于现有技术，因此在此不再详细介绍POE扣板和主板隔离方案；由于通过RJ45的电流在主板上已经通过了防雷通道，因此其浪涌容量相对不是太大。因此，在本实施例中，如图3所示，POE扣板防护电路包括压敏电阻器MOV4-MOV5、单向TVS管和电感L8；具体的连接方式为：压敏电阻器MOV4一端分别与电压转换电路、单向TVS管的负极和电感L8的一端电性连接，单向TVS管的正极和电感L8的另一端均通过压敏电阻器MOV5与压敏电阻器MOV4的另一端电性连接，压敏电阻器MOV4的另一端分别与RJ45连接器和电压转换电路电性连接。POE扣板防护电路采用单向TVS管，保证其钳位性能，对于正负两向电流选用不同的路径将大功率电流吸收，起到防护作用。
电压转换电路，将交流电转换为可被网络变压器和RJ45可用的直流电，在本实施例中，电压转换电路主要是将220V的交流电转换为48V直流，直接供给POE扣板，通过隔离电源模块将48V电压转化成12V电压，供给主板使用，主板上电压分别转换成3.3V、2.5V、1.8V、1.2V或1.0V给网络变压器和RJ45连接器供电，电压转换电路转换成不同等级的电压属于现有技术，且不是本申请要保护的范围，因此，在此不再累述。
防护电路，增强网口的差模防护能力。在本实施例中，防护电路包括相互电性连接的一级防护电路和二级防护电路。
一级防护电路，对浪涌电压进行第一级保护，起泄放雷电暂态过电流和限流过电压作用。在本实施例中，如图4所示，一级防护电路包括气体放电管D1、气体放电管D2和电阻R9-R12；具体的连接方式为：气体放电管D1的一端电极分别与以太网控制器的TX+引脚和电阻R9的一端电性连接，气体放电管D1的另一端电极分别与以太网控制器的TX-引脚和电阻R10的一端电性连接，电阻R9的另一端和电阻R9的另一端均与一级防护电路电性连接；气体放电管D2的一端电极分别与以太网控制器的RX+引脚和电阻R11的一端电性连接，气体放电管D2的另一端电极分别与以太网控制器的RX-引脚和电阻R12的一端电性连接，电阻R11的另一端和电阻R12的另一端均与一级防护电路电性连接。其中，由于气体放电管D1和气体放电管D2具有通流容量大、残压低、极间电容小和漏电流小的特性，因此，在本实施例中，用来做第一级防护，气体放电管D1和气体放电管D2并联在电路中，电路正常工作时，气体放电管D1和气体放电管D2处于高阻态，无电流通过；当浪涌电压通过时，气体放电管D1或气体放电管D2两极电压超过其阈值电压，极间间隙将被大电流击穿，气体放电管由绝缘状态转变为导通状态，此时其电阻很小，类似于短路状态，大电流通过气体放电管D1或气体放电管D2旁路到地，从而降低了浪涌电压。电阻R9-R12起限流的作用，在本实施例中，电阻R9-R12的阻值为欧姆级，R9-R12的电阻值为4.7Ω。
二级防护电路，对差分信号进行双向残压吸收，对浪涌电压就进行第二级保护；在本实施例中，如图4所示，二级防护电路包括ESD静电保护元件UFS08A2.8L04和电阻R13-R16；具体的连接方式为：电阻R9的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的1引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的8引脚和电阻R13的一端与电性连接，电阻R13的另一端与三级防护电路电性连接；电阻R10的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的2引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的7引脚和电阻R14的一端与电性连接，电阻R14的另一端与三级防护电路电性连接；电阻R11的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的4引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的5引脚和电阻R15的一端与电性连接，电阻R15的另一端与三级防护电路电性连接；电阻R12的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的3引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的6引脚和电阻R16的一端与电性连接，电阻R16的另一端与三级防护电路电性连接。其中，ESD静电保护元件UFS08A2.8L04和电阻R13-R16组成双向瞬态电压泄放电路，对差分信号进行双向残压吸收，对雷击的浪涌电压进行第二级保护，剩余能量经过双向瞬态电压泄放电路泄放，ESD静电保护元件UFS08A2.8L04包括4个TVS管，当TVS管两端有极大脉冲电压时，TVS管能以10-12S级的反应速度将其阻抗由高态瞬间变为低态，此过程TVS管将吸收高达数千瓦的浪涌功率，TVS管两极间的电位钳位至为TVS管的特征值处，该特征值能够保证后级电路在正常状态下。在本实施例中，为了保护网络变压器，又不影响网络传输性能，电阻R13-R16的阻值为2.2Ω。
如图5所示，网络变压器包括HX1188NLT网络变压器、电阻R17-R22和电容C6-C9，以太网控制器用PHY表示；具体的连接方式为：HX1188NLT网络变压器的1引脚与电阻R13的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的2引脚通过电阻R17接地，HX1188NLT网络变压器的3引脚与电阻R14的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的6引脚与电阻R15的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的7引脚通过电阻R18接地，HX1188NLT网络变压器的8引脚与电阻R16的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的9引脚通过串联的电阻R22和电容C7接地，HX1188NLT网络变压器的9引脚与以太网控制器的RX-引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的10引脚通过电容C9接地，HX1188NLT网络变压器的11引脚通过串联的电阻R21和电容C7接地，HX1188NLT网络变压器的11引脚与以太网控制器的RX+引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的14引脚通过串联的电阻R20和电容C6接地，HX1188NLT网络变压器的14引脚与以太网控制器的TX-引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的15引脚通过电容C8接地，HX1188NLT网络变压器的16引脚通过串联的电阻R19和电容C6接地，HX1188NLT网络变压器的16引脚与以太网控制器的TX+引脚电性连接。其中，HX1188NLT网络变压器、电阻R17-R22和电容C6-C9的连接关系属于现有技术，因此在不详细介绍该部分的电路功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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保护范围之内。

Claims (6)

1.一种以太网接口防浪涌电路，其包括顺次电性连接的以太网控制器、网络变压器、防护电路和RJ45连接器，以及电压转换电路，其特征在于：还包括电源防护电路和POE扣板防护电路；
所述电源防护电路的输入端与火线、零线电性连接，电源防护电路的输出端与电压转换电路电性连接，电压转换电路与POE扣板防护电路电性连接，POE扣板防护电路分别网络变压器与RJ45连接器电性连接；
所述POE扣板防护电路包括压敏电阻器MOV4-MOV5、单向TVS管和电感L8；
所述压敏电阻器MOV4一端分别与电压转换电路、单向TVS管的负极和电感L8的一端电性连接，单向TVS管的正极和电感L8的另一端均通过压敏电阻器MOV5与压敏电阻器MOV4的另一端电性连接，压敏电阻器MOV4的另一端分别与RJ45连接器和电压转换电路电性连接。
2.如权利要求1所述的一种以太网接口防浪涌电路，其特征在于：所述电源防护电路包括气体放电管D3、气体放电管D4、电感L6、电感L7、变压器T1和压敏电阻器MOV1-MOV3；
所述气体放电管D3的一端电极与火线电性连接，气体放电管D3的另一端电极通过压敏电阻器MOV1与零线电性连接，压敏电阻器MOV2的一端分别与火线和电感L6的一端电性连接，压敏电阻器MOV3的一端分别与零线与电感L7的一端电性连接，压敏电阻器MOV2的另一端和压敏电阻器MOV3的另一端均通过气体放电管D4与地线电性连接，电感L6的另一端与变压器T1的初级线圈的一端电性连接，变压器T1的初级线圈的另一端与电压转换电路电性连接，电感L7的另一端与变压器T1的次级线圈的一端电性连接，变压器T1的次级线圈的另一端与电压转换电路电性连接。
3.如权利要求1所述的一种以太网接口防浪涌电路，其特征在于：所述防护电路包括相互电性连接的一级防护电路和二级防护电路；
所述一级防护电路对浪涌电压进行第一级保护，起泄放雷电暂态过电流和限流过电压作用；
所述二级防护电路对差分信号进行双向残压吸收，对浪涌电压就进行第二级保护；
所述一级防护电路与网络变压器电性连接，二级防护电路与RJ45连接器电性连接。
4.如权利要求3所述的一种以太网接口防浪涌电路，其特征在于：所述一级防护电路包括气体放电管D1、气体放电管D2和电阻R9-R12；
所述气体放电管D1的一端电极分别与以太网控制器的TX+引脚和电阻R9的一端电性连接，气体放电管D1的另一端电极分别与以太网控制器的TX-引脚和电阻R10的一端电性连接，电阻R9的另一端和电阻R9的另一端均与一级防护电路电性连接；
所述气体放电管D2的一端电极分别与以太网控制器的RX+引脚和电阻R11的一端电性连接，气体放电管D2的另一端电极分别与以太网控制器的RX-引脚和电阻R12的一端电性连接，电阻R11的另一端和电阻R12的另一端均与一级防护电路电性连接。
5.如权利要求4所述的一种以太网接口防浪涌电路，其特征在于：所述二级防护电路包括ESD静电保护元件UFS08A2.8L04和电阻R13-R16；
所述电阻R9的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的1引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的8引脚和电阻R13的一端与电性连接，电阻R13的另一端与网络变压器电性连接；
所述电阻R10的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的2引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的7引脚和电阻R14的一端与电性连接，电阻R14的另一端与网络变压器电性连接；
所述电阻R11的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的4引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的5引脚和电阻R15的一端与电性连接，电阻R15的另一端与网络变压器电性连接；
所述电阻R12的另一端分别与ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的3引脚、ESD静电保护元件UFS08A2.8L04的6引脚和电阻R16的一端与电性连接，电阻R16的另一端与网络变压器电性连接。
6.如权利要求5所述的一种以太网接口防浪涌电路，其特征在于：所述网络变压器包括HX1188NLT网络变压器、电阻R17-R22和电容C6-C9；
所述HX1188NLT网络变压器的1引脚与电阻R13的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的2引脚通过电阻R17接地，HX1188NLT网络变压器的3引脚与电阻R14的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的6引脚与电阻R15的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的7引脚通过电阻R18接地，HX1188NLT网络变压器的8引脚与电阻R16的另一端电性连接，HX1188NLT网络变压器的9引脚通过串联的电阻R22和电容C7接地，HX1188NLT网络变压器的9引脚与以太网控制器的RX-引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的10引脚通过电容C9接地，HX1188NLT网络变压器的11引脚通过串联的电阻R21和电容C7接地，HX1188NLT网络变压器的11引脚与以太网控制器的RX+引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的14引脚通过串联的电阻R20和电容C6接地，HX1188NLT网络变压器的14引脚与以太网控制器的TX-引脚电性连接，HX1188NLT网络变压器的15引脚通过电容C8接地，HX1188NLT网络变压器的16引脚通过串联的电阻R19和电容C6接地，HX1188NLT网络变压器的16引脚与以太网控制器的TX+引脚电性连接。
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