CN217984529U - 一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及通信端口雷击浪涌保护电路领域，具体涉及一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路，包括多层PCB印刷线路板、RJ45水晶头和若干高压电容，所述多层PCB印刷线路板上设置有信息插座，所述RJ45水晶头插接在信息插座内，所述多层PCB印刷线路板上靠近信息插座的位置处设置有若干放电尖，本实用新型公开一种低成本的以太网端口雷击浪涌保护电路是一种极低成本的以太网端口雷击浪涌保护方案，其占用PCB印刷线路板面积小，采用合适的高压电容隔离雷击低频主要能量到以太网变压器而不影响以太网工作信号，采用放电尖泄放雷击能量到大地，又兼顾了网口对地隔离要求，放电尖放置在PCB印刷线路内板上，一定程度上避免了受潮污染等环境因素对绝缘距离的降级。

Description

一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路

技术领域

本实用新型涉及通信端口雷击浪涌保护电路领域，具体涉及一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路。

背景技术

以太网在现代通信领域中占有极为重要的作用，作为现在最广泛使用的局域网，遵循IEEE 802.3协议要求，包括标准以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆以太网(1000Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网，目前千兆以太网甚至10G以太网正在全球市场推动下不断拓展应用范围，数量与日俱增。

通信设备现实应用中面临的电磁环境复杂，其端口常常遭受感应雷击，必须设计有良好的雷击浪涌防护电路。

以太网端口以往的保护方式是网线差分线对采用三端子气体放电管(GDT)，它虽然能起到很好的保护作用，尤其是GDT固有的低寄生电容特性，应用于各种速率的以太网口，不会影响端口性能。但是GDT成本高，体积大，占用太多的PCB印刷线路板面积，在多端口应用中尤为不便，为此，业界摸索出在以太网变压器初级中心抽头对地加压敏电阻(MOV金属氧化膜可变电阻)的方式，也能很好地解决雷击防护问题，通过中心抽头加MOV到大地，由于半个线圈的感值隔离作用，回避了MOV寄生电容比较大对信号线的不良影响，相对于单线对大地加保护节省了一半的保护器件，而且由于差模测试时，雷击信号源负端接地，中心抽头对地保护也对差模起到保护作用，但是正因为中心抽头对地加保护方式，迫使雷击浪涌电流流过以太网变压器的初级线圈，在某些情况下高量级雷击浪涌瞬态电流超过了以太网变压器线圈所能承受的最大电流，就会打断线圈，导致通信功能失效，在这种情况下，加粗以太网变压器线圈线径，部分程度上可以解决问题，但多端口应用中，以太网变压器常常采用n in 1方式，变压器里边很密集，不便于增粗线径，即使能够增粗线径，也导致变压器不通用，成本增加。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路用来优化以太网端口雷击浪涌保护方式。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

提供一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路，包括多层PCB印刷线路板、RJ45水晶头和若干高压电容，其特征在于，所述多层PCB印刷线路板上设置有信息插座，所述RJ45水晶头插接在信息插座内，所述多层PCB印刷线路板上靠近信息插座的位置处设置有若干放电尖，若干所述高压电容分别和若干放电尖电性连接。

进一步的，所述多层PCB印刷线路板包括PCB印刷线路内层板，所述PCB印刷线路内层板上下端分别设置有外层板，若干所述高压电容分别焊接在一个外层板上。

进一步的，若干所述放电尖分别刻蚀在PCB印刷线路内层板上，若干高压电容靠近RJ45水晶头一侧的管脚分别通过若干孔连接到PCB印刷线路内层板上。

进一步的，所述PCB印刷线路内层板上设置有大地局部铜皮，所述大地局部铜皮围绕任意一个高压电容靠近RJ45水晶头一侧的管脚处均设置有40mil隔离圈。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型公开一种低成本的以太网端口雷击浪涌保护电路，它的特色是合理利用雷击浪涌频谱分布主要集中在0至几百kHz低频频段，而以太网信号工作在2.5MHz(10Mbps以太网)或25MHz(FE百兆快速以太网)或125MH在(GE千兆以太网)的特点，利用电容的隔直流通交流的高频滤波作用，把雷击浪涌的主要的低频分量用高压电压阻挡在以太网变压器外面，避免雷击浪涌大电流流过变压器初级线圈，阻挡在变压器外面的雷击浪涌主要成分，通过在PCB印刷线路板上将以太网信号线分别对大地设置合适的放电尖进行泄放，从而避免以太网信号线上高压非设计意图的乱放电。

2、本实用新型公开一种低成本的以太网端口雷击浪涌保护电路是一种极低成本的以太网端口雷击浪涌保护方案，其占用PCB印刷线路板面积小，采用合适的高压电容隔离雷击低频主要能量到以太网变压器而不影响以太网工作信号，采用放电尖泄放雷击能量到大地，又兼顾了网口对地隔离要求，放电尖放置在PCB印刷线路内板上，一定程度上避免了受潮污染等环境因素对绝缘距离的降级。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为传统以太网端口三端子GDT保护方式的示意图；

图2为以太网变压器初级中心抽头对地加压敏电阻保护方式的示意图；

图3为K21网口差模测试配置图；

图4为本实用新型高压电容管脚连接PCB印刷线路内层板示意图；

图5为本实用新型原理电路图；

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。

参照图1所示的传统以太网端口三端子GDT保护方式，其雷击路径分析如下，正向共模路径：雷击能量施加到输出的地，通过输出共模电感→L线或N线→次级参考地；负向共模路径：雷击能量施加到输出的地，通过输出共模电感→次级参考地→L线或N线；差模路径1：差模雷击能量通过耦合网络，由L线→N线，产生差模电流1；差模路径2：差模雷击能量通过耦合网络，由N线→L线，产生差模电流2。

从三端子GDT保护电路的差共模路径分析，可知其雷击防护能力完全取决于三端子气体放电管的通流能力，选择合适的GDT可以提供比较完美的保护效果，没有雷击浪涌瞬态大电流流过以太网变压器的线圈，但是GDT成本高，体积大，占用太多的PCB印刷线路板面积，在多端口应用中尤为不便。

为此，参照图2以太网变压器初级中心抽头对地加压敏电阻保护方式的示意图，业界摸索出在以太网变压器初级中心抽头对地加压敏电阻(MOV金属氧化膜可变电阻)的方式，也能很好地解决雷击防护问题，通过中心抽头加MOV到大地，由于半个线圈的感值隔离作用，回避了MOV寄生电容比较大对信号线的不良影响，相对于单线对大地加保护节省了一半的保护器件，而且由于差模测试时，雷击信号源负端接地，中心抽头对地保护也对差模起到保护作用。

以太网变压器OCL开路电感值一般在350μH，半个线圈在1kHz时阻抗在1.1欧姆，而MOV的导通电阻在0.042欧姆以下，所以差模电流只流过半个线圈到MOV再到大地。

但是很容易看到，正因为采用了中心抽头对地加保护方式，迫使雷击浪涌电流流过以太网变压器的初级线圈，在某些情况下高量级雷击浪涌瞬态电流超过了以太网变压器线圈所能承受的最大电流，就会打断线圈，导致通信功能失效。

比如,YD993-2016对室外网口要求6kV共模/4kV差模测试，按标准要求的测试波形10/700微秒电压波(5/320微秒电流波)，信号源阻抗15欧姆，网线每线串联25欧姆，可以计算得出，差共模测试时流过线圈的5/320波形电流分别为100A和41A，5/320μs。

我们从实际测试得知，普通以太网变压器线圈可以承受100A，8/20μs波形的瞬态浪涌电流而不损坏，器件能够承受多大的瞬态电流通过而不损坏取决于器件本身固有的公称熔化热，由公称融化热单位AAs可以推导出，它能够承受的5/320波形瞬态电流能力应该是8/20的1/4，因为320微秒是20微秒的16倍，所以电流应该是8/20的1/4，即25A，5/320μs波形，显然瞬态电流已经超过了变压器线圈所能承受的最大电流值。

在这种情况下，加粗以太网变压器线圈线径，也许部分程度上可以解决问题，但多端口应用中，以太网变压器常常采用n in 1方式，变压器里边很密集，不便于增粗线径，即使能够增粗线径，也导致变压器不通用，成本增加，采购供货周期增长，因此需要设计一种基于普通以太网变压器的低成本小体积的雷击浪涌解决方案。

雷电波频谱是研究避雷的重要依据，从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算信息系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定适当的避雷措施，研读相关文献资料，通过对雷电波的频谱分析可知：

1.雷电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减；在波尾相同时，波前越陡高次谐波越丰富；在波前相同的情况下，波尾越长低频部分越高。

2.各种标准雷电波模型能量主要集中在几百kHz以下，当1kHz时，10/700(μs)、累积能量分别达到43.91％，其它波形很小；波形1.2/50(μs)、10/700(μs)对应能量累加值为90％时，对应的频率分别为87.5kHz、6.27kHz。

这说明了在信息系统里，只要防止100kHz以下频率的雷电波窜入，就能把雷电波能量消减90％以上，这对避雷工程具有重要的指导意义。

参考图3所示的K21网口差模测试配置图，从ITU-T K.21室内网口6kV，1.2/50μs差模测试实践中也可知电容对低频分量雷击电流的抑制作用，开始测试时，没有注意到ITU-TK.21引用的K.44对称双绞线差模测试耦合网络里电容的作用，老的耦合网络缺少这个电容，因此增加了测试耦合网络里的电容，测试顺利通过，究其原因是没有电容时，线圈上电流有几百安培，加了电容后，电流不超过100A，8/20μs。

从图3分析，K21网口差模测试时只有一半的高频分量到了被测设备网口，而另一半的高频分量和绝大多数低频分量到了并联到大地的R2电阻上。

因此我们想到在网线上从RJ45进到PCB印刷线路板上后可以串联电容，利用电容隔直流通交流的高通特性来阻挡雷击浪涌聚集有主要能量的低频部分，这样可以大幅度降低到后端的电流，包括以太网变压器线圈上的电流大大降低，从而可以采用普通以太网变压器。

电容耦合是交流耦合，信号耦合的效果不影响以太网信号通过。

电容用来避免网路含有的直流成份进入另一后端，这是是利用电容本身理论上于直流电的阻值是无限大的特性，而此容量则决定能通过网路的频率(低频截止点)，电容量越大，低频截止点越低，也有机会吸入更多低频浪涌到以太网变压器；若容量过小，会使过多低频段被衰减，会造成IEEE802.3网口一致性测不过的问题。

参考图4和图5所示，这里我们可以选用通用的2kV1000p瓷片电容，优选2kV0.1μF电容，之所以选用高压电容，是想以高压电容为分界线，把高压电容到RJ45这一段作为高压区，把高压电容到以太网变压器以及更后端作为低压区。

以往的工程实践中，我们发现1206表贴的2kV1000pF电容可以耐受4.5kV，1.2/50μs瞬态雷击浪涌电压，必要时可以选择耐瞬态高压更好的插件电容，另外，2kV1000pF高压电容成本很低，品牌的6分钱一个，非品牌的2分钱一个。

被挡住的低频雷击浪涌也需要及时泄放到大地，这里，因为以太网端口要满足对大地隔离1500Vac的要求，我们无法像天馈端口一样采用电感接地(天馈端口对地无特别隔离要求，只有功能工作绝缘)，且这个电感也需要能承受大电流，于是想到借鉴复位线上静电防护用PCB上线与线，线与地设置放电尖的方式来泄放过压的方式，对RJ45与高压电容这一段以太网信号线与大地间设置合适的放电尖，这个放电间距要保证网线与大地之间1500Vac的隔离要求，但雷击浪涌高压到来时对地泄放能量，放电尖对浪涌的放电电压不需要很精准控制，因为高压区局限在PCB上靠近RJ45比较小的局部区域，我们有意图设置的放电点是整板上最容易放电处，为了避免受潮、腐蚀、污染等因素影响绝缘隔离，我们可以把放电尖设置在PCB内层上，插件高压电容靠近RJ45一侧的管脚通过过孔连到内层，内层上大地局部铜皮围绕高压电容这一管脚做40mil隔离圈，通过差模测试得知由于电容的低频阻挡作用，雷击浪涌只有少量高频成分到了以太网变压器线圈上。

Claims (4)

1.一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路，包括多层PCB印刷线路板、RJ45水晶头和若干高压电容，其特征在于，所述多层PCB印刷线路板上设置有信息插座，所述RJ45水晶头插接在信息插座内，所述多层PCB印刷线路板上靠近信息插座的位置处设置有若干放电尖，若干所述高压电容分别和若干放电尖电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路，其特征在于，所述多层PCB印刷线路板包括PCB印刷线路内层板，所述PCB印刷线路内层板上下端分别设置有外层板，若干所述高压电容分别焊接在一个外层板上。

3.根据权利要求2所述的一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路，其特征在于，若干所述放电尖分别刻蚀在PCB印刷线路内层板上，若干高压电容靠近RJ45水晶头一侧的管脚分别通过若干孔连接到PCB印刷线路内层板上。

4.根据权利要求3所述的一种低成本以太网端口雷击浪涌保护电路，其特征在于，所述PCB印刷线路内层板上设置有大地局部铜皮，所述大地局部铜皮围绕任意一个高压电容靠近RJ45水晶头一侧的管脚处均设置有40mil隔离圈。

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