如何实现网口防雷电路设计？

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张舒婷

2022-1-14 10:25:00

      防护思路
      首先，网口的防雷可以采用两种思路：一种思路是要给雷电电流以泄放通路，把高压在变压器之前泄放掉，尽可能减少对变压器影响，同时注意减少共模过电压转为差模过电压的可能性。另一种思路是利用变压器的绝缘耐压，通过良好的器件选型与PCB设计将高压隔离在变压器的初级，从而实现对接口的隔离保护。室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。
      1. 室外走线网口防雷电路

      当有可能室外走线时，端口的防护等级要求较高，防护电路可以按图设计。
      图中室外走线网口防护电路的基本原理图，从图中可以看出该电路的结构与室外走线E1口防雷电路类似。
      共模防护通过气体放电管实现，差模防护通过气体放电管和TVS管组成的二级防护电路实现。图中G1和G2是三极气体放电管，型号是leiditech 3R090-5S，它可以同时起到两信号线间的差模保护和两线对地的共模保护效果。
      中间的退耦选用2.2Ω/2W电阻，使前后级防护电路能够相互配合，电阻值在保证信号传输的前提下尽可能往大选取，防雷性能会更好，但电阻值不能小于2.2Ω。
      后级防护用的TVS管，因为网口传输速率高，在网口防雷电路中应用的组合式TVS管需要具有更低的结电容，这里推荐的器件型号为上海雷卯电子SLVU2.8-4。
      图中下方的原理图就是采用上述器件网口部分的详细原理图。
      三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。
      电路设计需要注意RJ45接头到三极气体放电管的PCB走线加粗到40mil，走线布在TOP层或BOTTOM层。若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。退耦电阻到变压器的PCB走线建议采用15mil线宽。
      该防雷电路的插入损耗小于0.3dB，对100M以太网口的传输信号质量影响比较小。
      2. 室内走线网口防雷电路

      当只在室内走线时，防护要求较低，因此防雷电路可以简化设计，如图所示，室内走线网口防护电路的基本原理图
      RJ45接头的以太网信号电缆是平衡双绞线，感应的雷电过电压以共模为主，如果能够对过电压进行有效的防护，差模的防护选用小量级的器件就可以了，通常可以选用SLVU2.8-4，它可以达到差模0.5kV（1.2/50us）的防护能力，但是当产品目标包括北美市场时，差模防护器件推荐选用LC03-3.3，它可以满足NEBS的需求。

      从共模防护的角度对室内室外这两种电路做一下比较。室外标准的电路采用气体放电管实现共模的防护，当端口处有共模过电压产生时，通过击穿气体放电管转化成过电流并泄放，从而达到保护的目的。
      而图室内标准的网口防护电路只设计了差模的防护电路，没有设计共模的防护电路，它在端口的共模防护上采用就是我们前面说的隔离保护的思路，它利用网口变压器的隔离特性实现端口的共模防护。当端口处有过电压产生时，这个过电压会加到网口变压器的初级，由于变压器有一定的隔离特性，只要过电压不超过变压器初级与次级的耐压能力而被击穿，过电压会完全被隔离在初级侧，从而对次级侧基本不造成影响，达到端口保护的目的。
      从上述原理可以看出，室内标准的这种电路的共模防护主要靠变压器前级的PCB走线以及变压器的绝缘耐压实现，因此要严格注意器件的选型和PCB的设计。
      首先，在以太网口电路设计时应树立高压线路和低压线路分开的意识。其中变压器接外线侧的以太网差分信号线、Bob-Smitch电路是直接连接到RJ45接头上的，容易引入外界的过电压（如雷电感应等），是属于高压信号线。而指示灯控制线、电源、GND是由系统内提供，属于低压线路。
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      设计与测试
      电子产品的接口防护需用过压保护器件，很多工程师意识到要用保护器件，但由于选型不当或没按照 ESD 电路 PCB 设计原则，造成产品静电测试或 EMC 测试不通过，产品多次验证测试，浪费人力财力，造成产品延迟上市的事情总有发生，或过度设计，造成成本压力。

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