CN201181944Y - 一种网络设备端口以及网络设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种网络设备端口，用以增强网络设备端口的防雷击能力。该网络设备端口包括印制板，设置在印制板上的接地金属外皮、螺丝孔、具备金属外壳的连接线端口，连接线端口上设置有用于通过差分线连接隔离变压器的插座引脚，其中，接地金属外皮与连接线端口的插座引脚之间、与隔离变压器连接差分线的引脚之间均有间隙，间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于1mm，在印制板内层大于等于0.25mm；差分线与连接线端口的金属外壳之间、与螺丝孔之间、与接地金属外皮之间均有间隙，间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于1mm，或者在印制板内层大于等于0.25mm。本实用新型公开一种网络设备。

Description

一种网络设备端口以及网络设备

技术领域

本实用新型涉及网络设备领域，尤其涉及一种网络设备端口。

背景技术

随着网络技术的发展，各种网络设备被广泛应用。当雷击发生时，会产生巨大的能量，该能量会损坏网络设备。网络设备包括网卡、交换机、路由器等，网络设备端口之间可采用光纤或双绞线进行互联。当网络设备端口采用双绞线时，雷击产生的能量通过电源和网络设备端口导入到设备中，从而损坏该网络设备。

网络设备的基本结构包括网络设备端口、隔离变压器、网络设备处理芯片等器件，各器件均设置在印制板上。以目前普遍应用的以太网设备为例进行说明，如图1所示，以太网设备主要由RJ45端口、隔离变压器、以太网芯片等器件构成，这些器件中以太网芯片是核心器件，需要进行防雷击保护。以太网设备通过正(+)、负(-)差分线，以差分信号的方式传输电流，该电流最终被以太网芯片处理成为通信数据。隔离变压器用于高压电气隔离，将以太网设备隔离为高压区和低压区，同时可恢复隔离变压器两侧以差分信号方式传输的电流，隔离变压器两侧的电流大小是相同的。RJ45端口用于插入网络设备互联所用的双绞线，将隔离变压器输出的差分信号与双绞线连接。

雷击产生的电压是对地的高电压，此处，“地”指的是大地，电源、网络设备、避雷针等都要通过金属导体连接到大地，一般称为接地。网络设备的金属外皮都是接地的，用于将网络设备的电流泻放到大地，使网络设备金属外皮不带电。由于网络设备金属外皮的接地，所以网络设备在受到雷击时会产生雷击电流，当雷击电流串入敏感的网络设备处理芯片时，该芯片就很容易损坏，导致网络设备的损坏。

目前网络设备端口的防雷击措施主要是增加雷击保护器件，如图2所示，为以太网设备增加雷击保护器件的电路图。虚线框中即为增加的雷击保护器件，设置在RJ45端口和隔离变压器之间。其中，G1、G2为气体放电管，R1、R2、R3、R4为串联限流器件，VD1、VD2、VD3、VD4为硅保护二极管，D1、D2、D3、D4为快恢复二极管。采用该雷击保护器件，可以限制输入隔离变压器的电流大小，从而保护以太网芯片。雷击保护器件根据可防护雷击能量的大小分为多种规格，可防护雷击能量越大，成本也就越高，显然这就增加了网络设备的制造成本。

实用新型内容

本实用新型提供一种网络设备端口以及网络设备，用以在不增加网络设备制造成本的基础上增强网络设备端口的防雷击能力。

本实用新型提供一种网络设备端口，包括印制板，设置在印制板上的接地金属外皮、螺丝孔、具备金属外壳的连接线端口，所述连接线端口上设置有用于通过差分线连接隔离变压器的插座引脚，其中，

所述接地金属外皮与连接线端口的插座引脚之间有间隙、所述接地金属外皮与隔离变压器连接差分线的引脚之间有间隙，各间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于1mm，在印制板内层大于等于0.25mm；

所述差分线与连接线端口的金属外壳之间有间隙、所述差分线与螺丝孔之间有间隙、所述差分线与接地金属外皮之间有间隙，各间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于1mm，或者在印制板内层大于等于0.25mm。

本实用新型提供一种网络设备，包括设置在印制板上的网络设备处理芯片和隔离变压器，还包括该网络设备端口。

本实用新型提供的网络设备端口，以及具备该网络设备端口的网络设备，无需增加雷击保护器件，只需保证差分线与地之间有间隙，且设定间隙的最小直线距离，通过增大空气间隙提高差分线对地的空气放电击穿电压，从而有效阻断雷击能量通路，在不增加网络设备制造成本的基础上，增强了网络设备端口的防雷击能力，解决了网络设备的雷击保护问题。

附图说明

图1为现有技术中以太网设备的结构示意图；

图2为现有技术中以太网设备增加雷击保护器件的电路图；

图3为本实用新型实施例中以太网设备遭受雷击时的电压感应示意图；

图4为本实用新型实施例中印制板上以太网设备端口平面结构示意图；

图5为本实用新型实施例中模拟雷击实验示意图；

图6为本实用新型实施例中网络设备平面结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种网络设备端口，用以解决网络设备的雷击保护问题，在不增加网络设备制造成本的基础上，增强网络设备端口的防雷击能力。本实用新型以采用双绞线的以太网设备为例进行说明，通过阻断雷击能量通路的方式，阻止雷击能量串入以太网芯片。该方案无需增加雷击保护器件，所以节约了制造成本。

首先，对本方案的实现原理进行详细说明。

分析图1所示的以太网设备遭受雷击时的电压感应。如图3所示，当双绞线感应雷击时，在双绞线和地之间会产生雷击电压，这种对地的高电压可称为共模电压。该雷击电压通过RJ45端口导入以太网设备，分布在高压区的发送正、负差分线和接收正、负差分线上。由于隔离变压器的高压电气隔离作用，该雷击电压不能串入到低压区，不会直接对以太网芯片造成损坏。

只有当雷击电压导致隔离变压器高压区的正、负差分线之间产生较大电流时，才会对以太网芯片造成损坏。根据隔离变压器的原理，当高压区正、负差分线之间产生较大电流时，低压区的正、负差分线之间产生同样大小的电流，这个电流串入以太网芯片，由于以太网芯片无法承受该较大电流，所以就很容易造成以太网芯片的损坏。

发生雷击时高压区的正、负差分线之间产生较大电流的原因，主要是由于空气放电造成的。对空气放电进行简单介绍，两个没有连接的金属导体之间存在空气，通常情况下是绝缘的。但两金属导体之间的电压差达到很大时，会导致空气被击穿，被击穿的空气相当于导电体，从而产生空气放电。两金属导体之间距离越近，空气放电击穿电压越低；金属导体的尖端部分，空气放电击穿电压则更低，通常叫做尖端放电，如避雷针就是采用尖端放电技术。

通常情况下，差分线与地之间的空气不会被击穿，相当于绝缘。只有当雷击电压超过空气放电击穿电压时，才会产生空气放电。空气放电一旦产生，则差分线对地由绝缘体变成导电体，就会产生从差分线流向地的雷击电流。现有技术中普遍采用的以太网设备，由于在制造时基于数据通信和印制板器件布局紧凑性的考虑，差分线与地之间的空气间隙一般非常小，可以近似看作间隙为0。较小的空气间隙使得空气放电击穿电压很低，尤其是当以太网设备被放置于室外时，很容易遭受雷击。

举例说明雷击产生时损坏以太网设备的过程。假设雷击电压可达2KV，正差分线端对地的空气放电击穿电压为2KV，负差分线端对地的空气放电击穿电压为1.5KV。当雷击电压超过1.5KV时，负差分线端对地产生空气放电，变成导电体，负差分线端电压瞬间从1.5KV变成0V。这样，正差分线端电压就比负差分线端电压高出1.5KV，导致雷击电流从正差分线端流向负差分线端，再流向地。因为隔离变压器内部是金属线圈，所以流经正、负差分线端的电流非常大，从而造成以太网芯片的损坏。

可见，在雷击电压没有超过空气放电击穿电压时，雷击能量就会被阻断，不会造成以太网芯片的损坏。所以只要提高差分线对地的空气放电击穿电压，就可以增强以太网设备端口的防雷击能力。为了增大差分线对地的空气放电击穿电压，需要打破现有技术中制造以太网设备时采用的固有方式，保证差分线与地之间有一定的空气间隙，尤其是要保证尖端部分与地之间的空气间隙。

接着，介绍因此本实用新型提出的以太网设备端口的物理结构。

如图4所示，为印制板上以太网设备端口平面结构示意图，以太网设备端口与地直接连接的有螺丝孔、地铜皮、RJ45端口金属外壳。其中，RJ45端口插座引脚与地铜皮之间的间距用L0表示，差分线与RJ45端口金属外壳之间的间距用L1表示，差分线与螺丝孔之间的间距用L2表示，差分线与地铜皮之间的间距用L3表示，隔离变压器连接差分线的引脚与地铜皮之间的间距用L4表示。

需要指出的是，印制板一般为多层结构，分为内层与外层，内、外层的平面结构示意图均如图4所示。其中，RJ45端口插座引脚、隔离变压器的引脚、螺丝孔均垂直穿透印制板。图4中仅示意性的表示各间距L0～L4，实际制造时各间距应为最小直线距离。例如L3应为差分线与地铜皮之间的最小直线距离，其余各间距类似，不再赘述。

当遭受雷击时，差分线与螺丝孔、地铜皮、RJ45端口金属外壳之间都有可能会发生空气放电，造成以太网设备的损坏，可见，防雷击能力最差的部位，决定了整个网络设备的防雷击能力。因此，在制造以太网设备端口时，需要使差分线与地，此处具体是指差分线与螺丝孔、地铜皮、RJ45端口金属外壳之间的间距满足一定的条件，以避免产生空气放电。

为了确定差分线与地的空气间隙，进行了模拟雷击实验。模拟雷击实验示意图请参见图5，使用EMC Pro试验波形信号发生器产生的1.2/50us(8/20us)、10/700us组合波雷击浪涌波形信号进行检测。1.2/50us(8/20us)组合波雷击浪涌波形信号模拟2kv雷击电压，10/700us组合波雷击浪涌波形信号模拟3kv雷击电压。选择外置的CM-TELCD耦合/去耦网络，使用四个160Ω电阻并联得到40Ω的信号输出源阻抗；CM-TELCD耦合/去耦网络引出的四根信号线使用非屏蔽双绞线连接到RJ45端口的1/2/3/6引脚进行百兆以太网口测试，或者4/5/7/8引脚进行千兆以太网口测试。EMC Pro试验波形信号发生器的LO端应该可靠连接到大地，并与被测试设备的机箱地连接在一起。

因为自然界中雷击电压的产生频率为：1kv之内每年几百次，2kv之内每年几十次，2kv以上非常少，所以将模拟雷击电压确定为2kv和3kv。可以认为，如果网络设备能承受2kv以上的雷击电压，则可基本具备防雷击能力，如果网络设备能承受3kv以上的雷击电压，则可具备较高的防雷击能力。

通过模拟雷击实验发现，差分线在印制板外层与地的间距为1mm时，能承受2kv以上的雷击电压，差分线在印制板外层与地的间距为2mm时，能承受3kv以上的雷击电压；差分线在印制板内层与地的间距为0.25mm时，能承受2kv以上的雷击电压，差分线在印制板内层与地的间距为0.5mm时，能承受3kv以上的雷击电压。

基于以上分析，本实用新型提供一种网络设备端口的制造要求，通过提高差分线对地的空气放电击穿电压，达到阻断雷击能量通路的目的，本实用新型以目前普遍应用的以太网设备为例进行说明，并假设该以太网设备需要承受2kv以上的雷击电压，具体制造要求包括：

A、地铜皮与RJ45端口插座引脚之间有间隙，间隙的最小直线距离用L0表示；由于在印制板外层与内层均设置有地铜皮，RJ45端口插座引脚垂直穿透印制板，所以L0有内外层之分，L0在印制板外层是指印制板外层的地铜皮与RJ45端口插座引脚之间的最小直线距离，在印制板内层是指印制板内层的地铜皮与RJ45端口插座引脚之间的最小直线距离；L0在印制板外层大于等于1mm，在印制板内层大于等于0.25mm；

B、差分线与RJ45端口金属外壳之间有间隙，间隙的最小直线距离用L1表示、差分线与螺丝孔之间有间隙，间隙的最小直线距离用L2表示、差分线与地铜皮之间有间隙，间隙的最小直线距离用L3表示，由于差分线或者设置在印制板的外层，或者设置在印制板的内层，所以L1、L2、L3根据差分线在印制板上的设置位置而定；当差分线设置在印制板外层时，L1、L2和L3是指印制板外层两者之间的最小直线距离，L1、L2和L3是指印制板内层两者之间的最小直线距离；L1、L2和L3在印制板外层大于等于1mm，或者在印制板内层大于等于0.25mm；

C、地铜皮与隔离变压器连接差分线的引脚之间有间隙，间隙的最小直线距离用L4表示，与L0同理，在印制板外层L4是指印制板外层的地铜皮与隔离变压器连接差分线的引脚之间的最小直线距离，在印制板内层L4是指印制板内层的地铜皮与隔离变压器连接差分线的引脚之间的最小直线距离；L4在印制板外层大于等于1mm，在印制板内层大于等于0.25mm。

当对网络设备端口的防雷击能力要求更高时，较优的可以提高各间隙的最小直线距离，当将各间隙的最小直线距离在印制板外层提升至2mm，在印制板内层提升至0.5mm时，以太网设备端口能承受3kv以上的雷击电压，已完全能够满足雷击保护的要求。

由于受到印制板器件布局的影响，各间隙的最小直线距离难以制作的很大。根据模拟雷击实验可以看出，在相同间距下，印制板内层的空气放电击穿电压约为印制板外层的空气放电击穿电压的4倍。所以，较优的，差分线设置在印制板内层。

另外，实际制造时为了增大空气放电击穿电压，差分线的弯角应避免与RJ45端口金属外壳、螺丝孔、地铜皮相对。

综上，本实用新型提供一种防雷击的网络设备，如图6所示，包括印制板60，设置在印制板60上的网络设备处理芯片61、隔离变压器62，网络设备端口63，需要指出的是，该网络设备无需包括雷击保护器件即可达到防雷击的目的，其中：

网络设备端口63包括螺丝孔631、接地金属外皮632、用于插入网络设备互联所用连接线的连接线端口633，连接线一般为双绞线；

该连接线端口633上设置有插座引脚601，并且连接线端口633具备金属外壳602，连接线端口的插座引脚601用于通过差分线603连接隔离变压器62，连接隔离变压器62实际是与隔离变压器62的引脚620相连，用于传输差分信号，其中：

连接线端口的插座引脚601与接地金属外皮632之间有间隙，间隙的最小直线距离用L0表示；隔离变压器连接差分线的引脚620与接地金属外皮632之间有间隙，间隙的最小直线距离用L4表示；L0和L4在印制板外层大于等于1mm，在印制板内层大于等于0.25mm；

差分线603与连接线端口的金属外壳602之间有间隙，间隙的最小直线距离用L1表示；差分线603与螺丝孔631之间有间隙，间隙的最小直线距离用L2表示；差分线603与接地金属外皮632之间有间隙，间隙的最小直线距离用L3表示；L1、L2和L3在印制板外层大于等于1mm，或者在印制板内层大于等于0.25mm。

该网络设备在不增加雷击保护器件的前提下，就能承受2kv以上的雷击电压，具备基本的雷击防护能力。

如果L0和L4在印制板外层大于等于2mm，在印制板内层大于等于0.5mm；L1、L2和L3在印制板外层大于等于2mm，或者在印制板内层大于等于0.5mm，可以使网络设备承受3kv以上的雷击电压，进一步提升雷击保护能力。

较优的，差分线603设置在印制板内层，差分线603的弯角不与连接线端口633的金属外壳602、螺丝孔631和接地金属外皮632相对。

本实用新型提供的网络设备端口，无需增加雷击保护器件，只需保证差分线与地之间有间隙，且设定间隙的最小直线距离，通过增大空气间隙提高差分线对地的空气放电击穿电压，从而有效阻断雷击能量通路，在不增加网络设备制造成本的基础上，增强了网络设备端口的防雷击能力，解决了网络设备的雷击保护问题。通过对间隙的最小直线距离的设定，可以使网络设备能承受的雷击电压达到2kv以上。并且通过将差分线设置在印制板内层降低了网络设备的制造难度，通过避免差分线的弯角与连接线端口的金属外壳、螺丝孔和接地金属外皮相对，以及提高各间隙的最小直线距离，可以进一步提高防雷击能力。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1、一种网络设备端口，包括印制板，设置在印制板上的接地金属外皮、螺丝孔、具备金属外壳的连接线端口，所述连接线端口上设置有用于通过差分线连接隔离变压器的插座引脚，其特征在于，

所述接地金属外皮与连接线端口的插座引脚之间有间隙、所述接地金属外皮与隔离变压器连接差分线的引脚之间有间隙，各间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于1mm，在印制板内层大于等于0.25mm；

所述差分线与连接线端口的金属外壳之间有间隙、所述差分线与螺丝孔之间有间隙、所述差分线与接地金属外皮之间有间隙，各间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于1mm，或者在印制板内层大于等于0.25mm。

2、如权利要求1所述的网络设备端口，其特征在于，所述接地金属外皮与连接线端口的插座引脚之间、以及所述接地金属外皮与隔离变压器连接差分线的引脚之间，各间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于2mm，在印制板内层大于等于0.5mm；

所述差分线与连接线端口的金属外壳之间、所述差分线与螺丝孔之间、以及所述差分线与接地金属外皮之间，各间隙的最小直线距离在印制板外层大于等于2mm，或者在印制板内层大于等于0.5mm。

3、如权利要求1所述的网络设备端口，其特征在于，所述差分线设置在印制板内层。

4、如权利要求1、2或3所述的网络设备端口，其特征在于，所述差分线的弯角不与所述连接线端口的金属外壳、螺丝孔和接地金属外皮相对。

5、如权利要求1所述的网络设备端口，其特征在于，所述连接线端口与网络设备互联所用连接线为双绞线。

6、一种网络设备，包括设置在印制板上的网络设备处理芯片和隔离变压器，其特征在于，还包括如权利要求1至5任一所述的网络设备端口。

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